DE3226167C2 - Solar energy conversion plant - Google Patents
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Abstract
In einer Solarwandler-Einheit wird eine kombinierte Umsetzung gebündelter Solarstrahlung in elektrische und nutzbare thermische Energie realisiert, wobei im Solarwandler positionierte Solarzellen elektrische Energie liefern und das den Solarwandler durchströmende Fluid thermische Energie in folgenden Stufen aufnimmt: als Wärme anfallende, von den Solarzellen absorbierte, nicht in elektrische Energie umgewandelte Strahlung, als Wärme anfallende Strahlungsabsorption im Fluid, dessen spektrale Absorption komplementär zur spektralen Empfindlichkeit der Solarzellen angepaßt ist, als Wärme anfallende absorbierte Strahlung an Strukturen des Solarwandlers. Bis auf geringe thermische und Strahlungs-Verluste erfolgt eine vollständige Nutzung konzentrierter Solarstrahlung in der Gewinnung elektrischer und thermischer Energie.In a solar converter unit, a combined conversion of bundled solar radiation into electrical and usable thermal energy is realized, with solar cells positioned in the solar converter supplying electrical energy and the fluid flowing through the solar converter absorbing thermal energy in the following stages: as heat accumulating, absorbed by the solar cells, not Radiation converted into electrical energy, as heat generated radiation absorption in the fluid, the spectral absorption of which is complementary adapted to the spectral sensitivity of the solar cells, as heat generated absorbed radiation on structures of the solar converter. With the exception of low thermal and radiation losses, concentrated solar radiation is fully used to generate electrical and thermal energy.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sonnenenergie-Umwand- faö lungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a solar energy converter treatment system according to the preamble of claim 1.
Eine Sonnenencrgie-Umwandlungsanlage mit einem strahlcnbündelnden System, wobei die gebündelten Strahlen von Solarzellen und mindestens einem Wärmeabsorber aufgenommen werden, ist aus der DE-OS 55 553 bekannt. Dabei wird die a>uf die Solarzellen gerichtete gebündelte Solarstrahlung durch einen vor den Solarzellen befindlichen Sekundärspiegel in einen von den Solarzellen in elektrische Energie umsetzbaren, durchgelassenen spektralen Anteil und in einen komplementären, reflektierten spektralen Anteil getrennt. Der reflektierte Anteil wird auf einen getrennten thermischen Absorber konzentriert und in Wärme umgesetzt. Durch die Abspaltung des von den Solarzellen nicht oder nur gering nutzbaren spektralen Anteils werden die Solarzellen unter sonst gleichen Randbedingungen thermisch entlastet und erreichen dadurch einen temperaturbedingt höheren Wirkungsgrad der Umsetzung Strahlungsenergie — elektrische Energie der Solarzellen. Aus der spektralen Empfindlichkeitsverteilung der eingesetzten Solarzellen resultiert die zu fordernde spektrale Transmission bzw. Reflexion des Sekundärspiegels, daraus folgen die von Sekundärspiegel durchgelassenen bzw. reflektierten Leistungsanteile der gebündelten Solarstrahlung. Unabhängig von der Relation dieser Leistungsanteile wird von dem auf die Solarzellen fallenden Leistungsanteil nur ein dem Umsetzungswirkungsgrad entsprechender zellen- und temperaturabhängiger Bruchteil von 15 bis 20% in elektrische Energie umgesetzt, der komplementäre Anteil von 80 bis 85% bleibt ungenutztA solar energy conversion system with a beam bundling system, whereby the bundled Rays from solar cells and at least one heat absorber are taken from the DE-OS 55 553 known. Thereby the a> uf the solar cells Directed bundled solar radiation through a secondary mirror located in front of the solar cells into a The transmitted spectral component can be converted into electrical energy by the solar cells and into a complementary, reflected spectral portion separately. The reflected portion is on a separate thermal Concentrated absorber and converted into heat. Not because of the splitting off of the solar cells or only a low usable spectral portion are the solar cells under otherwise identical boundary conditions thermally relieved and thus achieve a temperature-dependent higher degree of conversion efficiency Radiant energy - electrical energy of the solar cells. From the spectral sensitivity distribution of the The solar cells used result in the required spectral transmission or reflection of the secondary mirror, this is followed by the power components of the bundled power that are transmitted or reflected by the secondary mirror Solar radiation. Regardless of the relationship between these power components, the solar cells will be affected The falling power share only depends on the cell and temperature, corresponding to the conversion efficiency Fraction of 15 to 20% converted into electrical energy, the complementary share of 80 to 85% remains unused
Eine Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist in der älteren, nicht vorveröffentlichien DE-Patentanmeldung 3109 284 vorgeschlagen worden. Zwei konzentrisch ineinander angeordnete Glasrohre umschließen dabei einen zylindrischen Raum, in dem eine Halterung für fotovoltaische Zellen angeordnet ist und begrenzen zwischen sich einen Ringraum zur Führung von Kühlfluid. Auf einem dem ankommenden Sonnenstrahlenbündel gegenüber konvex gekrümmten Teil der Halterung sind mehrere voneinander getrennte fotovoltaische Zellen angeordnet, die von dem Kühlfluid gekühlt werden, das zunächst die hohle Halterung durchfließt, um die Rückseiten der fotovoltaischen Zellen zu kühlen, und danach dem von den konzentrisch ineinander angeordneten Glasröhren begrenzten Ringraum zugeführt wird, wo es in demtiem ankommenden Sonnenstrahlenbündel ausgesetzten Bereich des Ringraumes weiter erwärmt wird, ehe die Sonnenstrahlen auf die fotovoltaischen Zellen auftreffen. Aufgabe dieser älteren Lösung ist die Schaffung eines »Sonnenkraftwerkes« mit unmittelbarer Erzeugung elektrischer Energie aus den fotovolitaschen Zellen, deren Aufheizung auf das unumgängliche Maß verringert sein soll und das zugleich Wärmeenergie in nutzbarer Form im Niedertemperaturbereich, z. B. für Heizungszwecke, abgibt.A system according to the preamble of claim 1 is in the older, not prepublished DE patent application 3109 284 has been proposed. Two concentrically arranged glass tubes enclose a cylindrical space in which a holder for photovoltaic cells is arranged and delimit an annular space between them for guiding cooling fluid. On one of the incoming sunbeams opposite the convexly curved part of the bracket are several separate photovoltaic Arranged cells, which are cooled by the cooling fluid, which initially the hollow holder flows through to the backs of the photovoltaic cells to cool, and then the annular space bounded by the concentrically nested glass tubes is fed where it is arriving in the demtiem Sunbeams exposed area of the annulus is further heated before the sunbeams hit the photovoltaic cells. The task of this older solution is to create a "solar power plant" with direct generation of electrical energy from the photovoltaic cells, their heating should be reduced to the unavoidable level and at the same time heat energy in usable form in the Low temperature range, e.g. B. for heating purposes.
Bei vorbekannten Lösungen steht insbesondere die fotovol.itasche Nutzung der Sonnenstrahlung im Vordergrund. So ist eine Anordnung bekannt, bei der eine einstückige Solarzelle im Brennpunkt des Strahlenbündels liegt und um das in guter Annäherung zu erreichen, ist ein konzentrierender Spiegel in Kcgelform vorgesehen, der die aufgenommenen Strahlen auf die Solarzelle fokussiert (DE-OS 28 47 433, Fig. 3). Um dabei jedoch auch den nicht fotovoltaisch in Elektrizität umwandclbaren Anteil des Spektrums nutzen zu können, ist für die Kühlung der Solarzelle ein Kühlmittel ausgewählt, das den nicht fotovoltaisch nutzbaren Teil des Spektrums absorbiert. Bei einer anderen vorbekannten Lösung sind mehrere Solarzellen mit Abstand voneinander in einer Ebene oder in einer Kugelfläche auf einem Wärmetauscher mit einer fluiddurchlässigen Wabenstruktur aufgesetzt, der so Wärme von den Solarzellen abführt (US-PS 29 89 575). Bei einer weiteren vorbekannten Anordnung ist eine Galliumarscnid-Solarzellc im BrennpunktIn the case of previously known solutions, the fotovol.itasche use of solar radiation is in the foreground. An arrangement is known in which a one-piece solar cell is at the focal point of the beam and in order to achieve this in good approximation, a concentrating mirror in the shape of a corner is provided, which focuses the recorded rays on the solar cell (DE-OS 28 47 433, Fig. 3). In order to do so, however To be able to use the part of the spectrum that cannot be converted photovoltaically into electricity is for the Cooling the solar cell a coolant is selected that does not use photovoltaic part of the spectrum absorbed. In another previously known solution, several solar cells are in one at a distance from one another Placed flat or in a spherical surface on a heat exchanger with a fluid-permeable honeycomb structure, the so dissipates heat from the solar cells (US-PS 29 89 575). In another previously known arrangement is a gallium arsenide solar cell in focus
einer Linse innerhalb eines kugelförmigen Gehäuses angeordnet, wobei festgestellt wird, daß Galliumarsenid-Zellen auch bei hohen Temperaturen noch einen relativ guten Wirkungsgrad haben und eine gute Ausrichtung der Zelle auf die Sonne wichtig ist, weshalb das kugelförmige Gehäuse im Bereich zwischen Linse und Solarzelle schwenkbar gelagert ist und Maßnahmen vorgesehen sind, um die Anordnung entsprechend dem sich verändernden· Sonnenstand zu schwenken (Funkschau, 1978, Heft 9, Seite 383). Schließlich ist eine mehr theoretische Abhandlung über das Konzentrationsverhältnis und den Wirkungsgrad im thermofotovoltaischen Bereich vorbekannt, wobei die Probleme u. a. an einem schematisch dargestellten System erläutert werden, bei dem eine Solarstrahlung unterstellter Intensität auf eine erste gekrümmte K.onzentrationsfläche auftrifft, angenommenerweise verlustlos in ein Fenster fokussiert wird und durch ein im Fenster angeordnetes verlustloses Filter in ein an das Fenster anschließendes Absorptionsgehäuse gelangt, dessen Wand in konzentrischer Aufeinanderfolge von innen nach außen aus einer Radiatorfläche, einem Filter und SoIarzeL'j-n gebildet wird (Solar Energy, Vol. 23, 1979, Seiten 203 und 204). Ein Teil der in das Gehäuse gelangenden Strahlung wird von den als Absorber wirkenden Gehäusewänden aufgenommen, ein anderer spektral angepaßter Teil durch das Filter den Solarzellen zugeführta lens placed within a spherical housing, it being found that gallium arsenide cells still have a relatively good efficiency even at high temperatures and a good one Orientation of the cell to the sun is important, which is why the spherical housing in the area between the lens and solar cell is pivotably mounted and measures are provided to the arrangement according to the to swivel the changing position of the sun (Funkschau, 1978, issue 9, page 383). After all, there is one more theoretical treatise on the concentration ratio and the efficiency in thermophotovoltaic Area previously known, the problems inter alia. at a schematically illustrated system are explained in which a solar radiation assumed intensity hits a first curved concentration surface, is assumed to be focused losslessly in a window and through one arranged in the window lossless filter into a window adjoining the window Absorption housing arrives, the wall of which in concentric succession from the inside to the outside a radiator surface, a filter and SolarzeL'j-n (Solar Energy, Vol. 23, 1979, pages 203 and 204). Part of the radiation entering the housing is absorbed by the housing walls, which act as absorbers, another spectrally matched part fed through the filter to the solar cells
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonncnergie-Umwandlungsanlage der eingangs genannten Art hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades, insbesondere des thermischen Wirkungsgrades, zu optimieren.The invention is based on the object of a solar energy conversion plant of the type mentioned in terms of overall efficiency, in particular the thermal efficiency.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1 solved.
Demnach weisl die Anlage der Erfindung ein völlig anderes Funktionsprinzip als die im Oberbegriff vorausgesetzte Anlage auf.Accordingly, the system of the invention has a completely different functional principle than that assumed in the preamble Plant on.
Die Aufgabe wird mit der Erfindung deswegen in besonders zweckmäßiger Weise gelöst, weil zwar darauf verachtet wird, den äußerstenfalls erreichbaren Wirkungsgrad der Solarzellen bei der Umwandlung von .Sonnenlichtenergie in elektrische Energie auch tatsächlich zu erreichen, das Kühlmittel jedoch direkt durch die Sonnenstrahlung und nach dem Kühlen der Solarzellen in einem Maße aufgeheizt wird, daß es gut als Brauchwasser vielfältig verwertbar ist. Es wird mit der erfindungsgemäßen Anlage eine gute Umsetzung der gebündelten Solarstrahlung sowohl in elektrische als auch in thermische Energie erreicht, und die Anlage hat einen besonders guten Gesamtwrrkungsgrad.The object is achieved with the invention in a particularly expedient manner because it is on it is despised, the extremely achievable efficiency of the solar cells in the conversion of .Sunlight energy in electrical energy can actually be achieved, however, directly through the coolant Solar radiation and after cooling the solar cells is heated to such an extent that it is good as service water can be used in many ways. It is a good implementation of the bundled with the system according to the invention Solar radiation is achieved in both electrical and thermal energy, and the facility has one particularly good overall efficiency.
Die Merkmale der Unteransprüche gestalten die Erfindung in zweckmäßiger Weise weiter aus. Im einzelnen kann die Wirkung der Erfindung wie folgt erläutert werden.The features of the subclaims further develop the invention in an expedient manner. In detail the effect of the invention can be explained as follows.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird in einer abgeschlossenen Solarwandler-Einheit die auf diese treffende gebündelte Solarstrahlung in elektrische Energie umgewandelt und der nicht in elektrische Energie umgewandelte Anteil in nutzbare thermische Energie umgesetzt. Es erfolgt dabei eine energetische Teilabspaltung durch spektral selektive Strahlenabsorption des Fluids in einen thermischen Anteil, wobei das Fluid daneben als Wärmeträger und zur Zellenkühlung unter Nutzung der an den Solarzellen anfallenden thermischen Energie verwendet wird. Als spektral selektives Element ist das Fluid durch die spektralen Anteile der Transmission, der Absorption und Streuung kennzeichnend. Bei der erfindungsgemäßen Sonnenergie-Umwandlungsanlage wird die auf den Solarwandler fallende gebündelte Strahlung bis auf thermische und Strahlungs-Verluste an den Außenflächen des Solarwandlers und der FIuid-Leitungen, sowie bis auf den aus dem Eintrittsfenster der primär gebündelten Strahlung austretenden Streustrahlenanteil vollständig in elektrische und nutzbare thermische Energie umgesetzt.The system according to the invention is in a closed Solar converter unit converts the bundled solar radiation into electrical energy converted and the portion not converted into electrical energy converted into usable thermal energy. There is an energetic partial splitting off by spectrally selective radiation absorption of the Fluids in a thermal component, with the fluid next to it as a heat transfer medium and for cell cooling below Use of the thermal generated by the solar cells Energy is used. As a spectrally selective element, the fluid is characterized by its spectral components Characteristic of transmission, absorption and scattering. In the solar energy conversion system according to the invention the bundled radiation falling on the solar converter except for thermal and radiation losses on the outer surfaces of the solar converter and the fluid lines, as well as the one from the Entrance window of the primarily bundled radiation exiting scattered radiation component completely into electrical and usable thermal energy implemented.
Unter Einsatz von Solarzellen mit günstigem Temperaturverhalten des Zellen-UmsetzungswirkungsgradesUsing solar cells with favorable temperature behavior of the cell conversion efficiency
to Strahlungsenergie — elektrische Energie, z. B. auf GaIIium-Arsenid-Basis, wird beim erfindungsgemäßen System gebündelte Solarstrahlung in elektrische Energie umgewandelt, wobei der nicht in elektrische Energie umgesetzte Anteil der in den Solarzellen absorbierten Strahlung an ein Fluid durch Wärmeübergang abgegeben wird und dieses Fluid den durch Eigenabsorption bestimmten spektralen Anteil, der komplementär zu dem von den Solarzellen in elektrische Energie umsetzbaren Anteil beschaffen sein soll, absorbiert, und das Fluid weiterhin durch Wärmeübergan? den an der Wandung des Solarwandlers, am Abflußrohr und an der Abflußrohr und Solarwandler mechanisch verbindenden Radialstruktur in Wärme umgesetzten Strahlungsanteil aufnimmt.to radiant energy - electrical energy, e.g. B. on GaIIium-Arsenid-Basis, In the system according to the invention, bundled solar radiation is converted into electrical energy converted, whereby the fraction of that which is not converted into electrical energy is absorbed in the solar cells Radiation is given off to a fluid through heat transfer and this fluid through self-absorption certain spectral component, which is complementary to that which can be converted into electrical energy by the solar cells Proportion should be absorbed, and the fluid continues through heat transfer? the one on the wall of the solar converter, on the drain pipe and on the drain pipe and the solar converter mechanically connecting Radial structure absorbs part of the radiation converted into heat.
Das Fluid erfährt im Solarwandler eine dreistufige Temperaturerhöhung, an den Solarzellen beim Niveau der Eintrittstemperatur, im zentralen Fluid-Bereich bei höherem Temperaturniveau, und im Bereich der Radialstruktur und des Abflußrohrs bei weiter erhöhtem Temperaturniveau, so daß für die Solarzellen ein temperaturbedingt höherer Umsetzungs-Wirkungsgrad, bei bestimmten erreichtem Temperaturniveau der gesamten nutzbaren thermischen Energie, durch das erfindungsgemäße System erreicht wird.The fluid experiences a three-stage temperature increase in the solar converter, at the level of the solar cells the inlet temperature, in the central fluid area at a higher temperature level, and in the area of the radial structure and the drain pipe at a further increased temperature level, so that a temperature-dependent effect for the solar cells higher conversion efficiency, with a certain reached temperature level of the entire usable thermal energy, is achieved by the system according to the invention.
Die erfindungsgemäße Sonnenenergie-Umwandlungsanlage kann z. B. vorteilhaft zur Erzeugung von elektrischer Energie unter Auskopplung der Prozeßwärme an eine Ammoniak-Wasser-Absorberkühlmaschine zur Klimatisierung und Kühlung eingesetzt werden. Das über den Solarwandler gepumpte Fluid wird z. B. von 430 K Eintrittstemperatur auf 460 K Austrittstemperatur gebracht und gibt über einen integrierten Wärmeübertrager Prozeßwärme ab oder belädt mit entsprechenden Temperaturen einen temperatur-geschichteten Speicher. Betriebs-Eintritts- und -Austritts-Temperaturen am Solarwandler orientieren sich an der erforderlichen Arbeitstemperatur des angekoppelten Prozesses, der Leistungsanpassung und den Leistungsübertragern. Die für den Umsetzungswirkungsgrad Strahlungsleistung — elektrische Leistung der Solarzellen bestimmende Solarzellen-Temperatur bestimmt sich aus den Betriebs-Eintritts- und -Austritts-Temperaturen des F''.;ids am Solarwandler, der Relation der an den Solarzellen anfallenden thermischen Leistung gegenüber der im Fluid *hirch Eigenabsorption end an den vorderen Solarwandlerelementen anfallenden thermischen Leistung, und dem Wärmeübergangsvorgang an den Grenzflächen Fluid/Solarzellen. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion und Ausgestaltung wird die Solarzellen-Temperatur nahe an der Fluid-Eintritts-Temperatur gehalten.The solar energy conversion system according to the invention can, for. B. advantageous for the production of electrical energy with decoupling of the process heat to an ammonia-water absorption cooling machine can be used for air conditioning and cooling. The fluid pumped through the solar converter is z. B. brought from 430 K inlet temperature to 460 K outlet temperature and is an integrated Heat exchanger process heat from or loads a temperature-stratified one with corresponding temperatures Storage. Operating inlet and outlet temperatures at the solar converter are based on the required working temperature of the coupled process, the power adjustment and the power transformers. The one for the implementation efficiency Radiant power - the solar cell temperature that determines the electrical power of the solar cells is determined from the operating inlet and outlet temperatures of the F ''.; ids on the solar converter, the relation of the Solar cells accruing thermal power compared to the self-absorption in the fluid * hirch end at the front solar converter elements accumulating thermal power, and the heat transfer process the fluid / solar cell interfaces. By the invention Construction and design, the solar cell temperature is close to the fluid inlet temperature held.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In the drawing shows
Fi g. 1 einen schematischen Schnitt durch den Solares wandler, wobei nur dii wichtigen Einzelheiten und die wirksamen Strahlenbündel dargestellt sind,Fi g. 1 a schematic section through the Solares converter, with only the important details and the effective bundles of rays are shown,
F i g. 2 die Führung des Kühlfluids durch den Solarwandler der Fig. 1.F i g. 2 the routing of the cooling fluid through the solar converter of FIG. 1.
Die Fluidzuführung zum kugelförmigen Solarwandler erfolgt durch das Zuführungsrohr 30, dessen Öffnungen 31, 32, 33 und die abschließende strahlendurchlässige Fluidführung 27 so bemessen sind, daß die jeweiligen Fluid-Teilströme zu den in der Wabenstruktur-Kugelschale 23 gehalterten Solarzellen 22 einen entsprechenden Wärmeübergang gewährleisten, und außerdem im zentralen Fluid-Bereich des Solarwandlers die erforderliche Strömung in Richtung auf das Fluid-Abflußrohr 19 gegeben ist.The fluid supply to the spherical solar converter takes place through the supply pipe 30, its openings 31, 32, 33 and the final radiolucent fluid guide 27 are dimensioned so that the respective Fluid partial flows to the solar cells 22 held in the honeycomb structure spherical shell 23 have a corresponding Ensure heat transfer, and also the required in the central fluid area of the solar converter Flow in the direction of the fluid discharge pipe 19 is given.
Die Wabenstruktur-Kugelschale 23 ist konzentrisch zum Mittelpunkt des engsten Strahlenbündels 15, mit einer kreisförmigen öffnung für das Fluid-Zuführungsrohr ausgebildet und durch elastische Verbindungsteile 29 an der Wandung des Solarwandlers gehaltert. Durch entsprechende Verschiebung der Wabenstruktur-Kugelschale 23 zur Eintrittsseite des Fluids kann eine Anpassung der Strömungsqucrschnitte im Bereich Wabenstruktur-Kugelschale zu Solarwandler-Wandlung realisiert werden.The honeycomb structure spherical shell 23 is concentric to the center of the narrowest beam 15, with a circular opening for the fluid supply pipe formed and held by elastic connecting parts 29 on the wall of the solar converter. By A corresponding displacement of the honeycomb structure spherical shell 23 to the inlet side of the fluid can be an adaptation the flow cross-sections in the honeycomb-spherical shell area to solar converter conversion can be realized.
Die Wabenstruktur-Kugelschale 23 trägt die einzelnen Solarzellen 22, die ihrerseits zu Gruppen elektrisch seriell verschaltet sind. Die Stromleitungen von den Solarzellen 22 nach außen erfolgen durch die metallischen elastischen Verbindungsteile 29.The honeycomb structure spherical shell 23 carries the individual solar cells 22, which in turn form groups electrically are connected in series. The power lines from the solar cells 22 to the outside take place through the metallic ones elastic connecting parts 29.
Die Wabenstruktur-Kugelschale 23 ist in einer zweckmäßigen Ausführung aus Keramikmaterial mit integrierten metallischen Leitern zum Verschalten der Solarzellen 22 aufgebaut Die einzelnen Solarzellen 22 sind zweckmäßig zur mechanischen Stabilisierung auf metallischen Basisplatten, mit Rippenstrukturen, zur Fluidströmung ausgerichtet, wahlweise über dünne Keramikplättchen zur elektrischen Isolierung, aufgebaut. Die einzelnen Solarzellen 22 sind jeweils über die metallischen Basisplatten auf polygon oder kreisförmig begrenzten Waben befestigt, wob?! die Basisplatte jeweils einen der Solarzellen-Anschlüsse darstellt, während der zweite Solarzellenanschluß an die Basisplatte der nächsten seriell geschalteten Solarzelle geführt ist. Durchbrüche 28 in der Wabenstruktur-Kugelschale 23 und im Acflagebereich der Solarzellen-Basisplatten zur tragenden Wabenstruktur vergrößern die Wärmeaustauschfläche zu den Solarzellen 22 und verbessern den Wärmeübergang zum Fluid.The honeycomb structure spherical shell 23 is in an expedient embodiment made of ceramic material with integrated metallic conductors for interconnecting the solar cells 22. The individual solar cells 22 are useful for mechanical stabilization on metallic base plates, with rib structures, for fluid flow aligned, optionally built up using thin ceramic plates for electrical insulation. the individual solar cells 22 are each delimited by the metallic base plates on polygonal or circular Honeycomb attached, wob ?! the base plate each represents one of the solar cell connections, during the second solar cell connection is led to the base plate of the next solar cell connected in series. Breakthroughs 28 in the honeycomb structure spherical shell 23 and in the acflag area of the solar cell base plates for supporting The honeycomb structure increases the heat exchange surface to the solar cells 22 and improves the heat transfer to the fluid.
Der kugelförmige Solarwandler ist im Eintrittsbereich der gebündelten Solarstrahlung von einem strahlungsdurchlässigen, als Kugelschale 21 ausgebildeten Fenster 21 abgeschlossen. Das Fenster 21 wird durch die Radialstruktur 20, welche das tragende Fluid-Abflußrohr 19 mit deni Innenbereich des Solarwandlers über eine Anzahl zur Einfallsrichtung der gebündelten Strahlung fluchtender sichelförmiger metallischer Träger verbindet, mechanisch entlastetThe spherical solar converter is in the entry area of the bundled solar radiation from a radiation-permeable, formed as a spherical shell 21 window 21 completed. The window 21 is through the Radial structure 20 which connects the supporting fluid drainage pipe 19 to the interior of the solar converter a number of crescent-shaped metallic supports aligned with the direction of incidence of the bundled radiation connects, mechanically relieved
Zweckmäßig wird der Solarwandler fertigungstechnisch in eine erste Halbkugel, welche die zum Fluid-Abflußrohr 19 verbindende Radialstruktur 20 und die strahlungsdurchlässige Kugelschale 21 enthält und eine zweite Halbkugel mit dem Fluid-Zuführimgsrohr 30, der Fluid-Teilung mittels der Öffnungen 31, 32, 33 dem strahlendurchlässigen Fluid-Umlenker 27 und der Wabenstruktur-Kugelschale 23 mit den Solarzellen 22 gegliedert In terms of manufacturing technology, the solar converter is expediently placed in a first hemisphere which forms the fluid drainage pipe 19 connecting radial structure 20 and the radiation-permeable spherical shell 21 and contains a second hemisphere with the fluid feed tube 30, the Fluid division by means of the openings 31, 32, 33 dem radiolucent fluid deflector 27 and the honeycomb structure spherical shell 23 divided with the solar cells 22
Die einfallende gebündelte Solarstrahlung ist in F i g. 1 mit den Strahlen 10,11,12,13,14 skizziert, wobei die Strahlen 11 an der äußeren Grenze des Fensters 21 zur Außenfläche 26 des Solarwandlers in den Innenbereich des Solarwandlers eintreten, während die Strahlen 12 auf die Außenfläche 26 treffen und absorbiert werden. Die Strahlen 13 treten an der inneren Grenze des Fensters 21 zum Fluid-Abflußrohr 19 in den Innenbereich des Solarwandlers, die Strahlen 14 werden an der Außenwandung des Fluid-Abflußrohrs 19 absorbicri. Strahlen, die auf die Stirnflächen der Radialstmktur 20 und streifend auf deren Seitenflächen fallen, werden ebenfalls absorbiert.The incident bundled solar radiation is shown in FIG. 1 outlined with the rays 10,11,12,13,14, where the rays 11 at the outer boundary of the window 21 to the outer surface 26 of the solar converter enter the interior of the solar converter while the rays 12 hit the outer surface 26 and be absorbed. The rays 13 occur at the inner limit of the Window 21 to the fluid drainage pipe 19 in the interior of the solar converter, the rays 14 are at the Outer wall of the fluid discharge pipe 19 absorbicri. Rays that fall on the end faces of the radial structure 20 and graze on its side faces also absorbed.
Die Strahlen 10 und 13 treffen nach Fig. 1 in einem Brennpunkt zusammen, in Wirklichkeit wird das Gesamtstrahlenbündel in einem Brennfleck 15 konzentriert, wobei die Strahlen 11 in F i g. 1 eine entsprechende Abweichung vom idealen Strahlenverlauf darstellen. Bei idealer Systemnachführung zur Sonne wird die Ausdehnung des Brennflecks durch die Divergenz der auf das konzentrierende System einfallenden solaren Strahlung und durch die Ungenauigkeitcn des Spiegelparaboloids als konzentrierendem System bestimmt. Dazu kommt nun heim erfindungsgemäßen System die Streuung der Strahlung im Fluid. In Fig. 1 sollen durch die gestrichelten Linien 17 Positionen bestimmter Streustrahlenintensität bezeichnet werden, die so bemessen ist, daß die in den äußersten Solarzellen 22 erhaltene Strahlungsdichte gegenüber der mittleren Strahlungsdichte aller Zellen akzeptabel ist. Der nicht auf Solarzellen 22 fallende Anteil der Streustrahlen 18 wird hauptsächlich an den Innenflächen 25 des Solarwandlers absorbiert. Die vom zentralen Fluidbereich auf das strahlendurchlässige Fenster 21 erfolgende Rückstreuung wird durch die Radialstruktur 20 zu einem Anteil absorbiert, der sich aus den mittleren nrojizierten Flächen der sichelförmigen Teile der Radialstmktur 20 und der mittleren Distanz zu den Streuzentren ergibt.The rays 10 and 13 meet at a focal point according to FIG. 1, in reality the entire bundle of rays becomes concentrated in a focal spot 15, the rays 11 in FIG. 1 a corresponding Show deviation from the ideal beam path. With ideal system tracking to the sun, the expansion of the focal spot due to the divergence of the solar radiation incident on the concentrating system and determined by the inaccuracies of the mirror paraboloid as a concentrating system. In addition the system according to the invention is now home to the scattering the radiation in the fluid. In FIG. 1, the dashed lines 17 are intended to indicate positions of certain scattered radiation intensities which is dimensioned so that that obtained in the outermost solar cells 22 Radiance versus the mean radiance of all cells is acceptable. The one not on solar cells 22 falling portion of the scattered rays 18 is mainly absorbed on the inner surfaces 25 of the solar converter. The backscattering from the central fluid area onto the radiolucent window 21 is absorbed by the radial structure 20 to a proportion that is derived from the central projected areas of the sickle-shaped parts of the radial structure 20 and the mean distance to the scattering centers results.
Anstelle des in Fig. 1 dargestellten Strahlungsvcrlaufs am Solarwandler zeigt Fig.2 einen skizzierten Strömungsverlauf des Fluids im Solarwandlcr.Instead of the radiation curve shown in FIG 2 shows a sketched one on the solar converter Flow course of the fluid in the solar converter.
Das im Zuführungsrohr 30 strömende Fluid wird durch die öffnungen 31, 32, 33 in entsprechende Tcilströme gegliedert, die Solarzellen 22 werden über öffnungen 32, deren Basisplatten werden über öffnungen 31 angeströmt, über die Durchbrüche 28 wird die Wabenstruktur-Kugelschale 23 umströmt, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erreichen. Mittels der für die Solarstrahlung durchlässigen Fluid-Umienkung 27 wird die Anströmung der Solarzellen 22 von derThe fluid flowing in the supply pipe 30 is converted into corresponding fluid flows through the openings 31, 32, 33 structured, the solar cells 22 are via openings 32, their base plates are via openings 31, the honeycomb structure spherical shell is over the openings 28 23 flows around in order to achieve the best possible heat transfer. By means of the fluid deflection that is permeable to solar radiation 27 is the flow of the solar cells 22 from the
Vorderseite verstärkt. Durch den über die öffnung 33 erfolgenden zentralen Fiuid-Teilstrom werden die im zentralen Bereich erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten gewährleistet.Reinforced front. Through the opening 33 taking place central fluid substream are the in central area required flow velocities guaranteed.
Im zentralen Fluid-Bereich ergibt sich die pro VoIumeneinheit resultierende Eigenabsorption de. gebündelten und der gestreuten Strahlung entsprechend der Strahlungsdichte und der Konzentration der strahlungsabsorbierenden Bestandteile des Fluids.In the central fluid area there is the per unit volume resulting self-absorption de. bundled and scattered radiation according to the Radiation density and the concentration of the radiation-absorbing components of the fluid.
Die lokal erforderliche minimale Fluidgeschwindigkeit wird abgestimmt auf die im Fluid lokal umgesetzte Strahlungsleistung, die Basistemperatur und die Grenztemperatur des Fluids.The locally required minimum fluid velocity is matched to that converted locally in the fluid Radiant power, the base temperature and the limit temperature of the fluid.
Die Anströmung der Radialstruktur 20, des Strahleneintrittsfensters 21 und des Fluid-Abflußrohrs 19 gewährleistet einen entsprechenden Wärmeübergang und damit die Nutzung der in Wärme umgesetzten absorbierten Strahlung als Temperaturerhöhung des aus dem zentralen Bereich des Solarwandlers anströmenden Fluids.The flow towards the radial structure 20, the radiation entrance window 21 and the fluid discharge pipe 19 ensures a corresponding heat transfer and thus the use of the absorbed radiation converted into heat as a temperature increase of the from the central area of the solar converter flowing fluid.
Das verwendete Fluid muß im eingesetzten Temperaturbereich beständig sein, muß mit den Solarzellen materialverträglich sein, muß elektrisch nichtleitend sein. Die spektrale Eigenabsorption des Fluids darf über dieThe fluid used must be stable in the temperature range used and must be material-compatible with the solar cells must be electrically non-conductive. The inherent spectral absorption of the fluid may exceed the
durch die Solarwandler-Dimension bestimmte Weglänge den von den Solarzellen 22 in elektrische Energie
unisctzbaren spekTalen Anteil nur wenig schwächen.The path length determined by the solar converter dimension is converted into electrical energy by the solar cells 22
only slightly weaken the unisctable specTal part.
Der von den Solarzellen 22 nicht nutzbare spektrale
Anteil der durch das Fenster 21 in den Solarwandler 5 eingetretenen Solarstrahlung soll durch das Fluid möglichst
i;t.irk über die durch die Solarwandler-Dimension
bestimm ?c Weglängc geschwächt werden, wobei durch
Zusatz entsprechender Farbstoffe zum Fluid eine Anpassung an die zur spektralen Empfindlichkeitskurve io
der Solarzellen 22 komplementäre Kurve erfolgt.The spectral that cannot be used by the solar cells 22
The proportion of the solar radiation that has entered the solar converter 5 through the window 21 should, if possible, i ; t.irk through the fluid via that through the solar converter dimension
certain? c Weglängc be weakened, whereby by
Addition of appropriate dyes to the fluid results in an adaptation to the curve complementary to the spectral sensitivity curve io of the solar cells 22.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
2020th
2525th
3030th
3535
4545
5050
5555
6060
6565
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