DE3638317A1

DE3638317A1 - Thermo-elektrische solarzelle

Info

Publication number: DE3638317A1
Application number: DE19863638317
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Rer Na Killesreiter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-01-21
Filing date: 1986-11-10
Publication date: 1987-06-25

Description

Die thermo-elektrische Solarzelle gehört in das technische Gebiet der elektrischen Energiegewinnung unter Nutzung der Sonnenenergie.

Der Stand der Technik kennt inzwischen viele Möglichkeiten mit dem Versuch, die Sonnenenergie in elektrische Energie umzusetzen. Während die Wärmestrahlung für die Warmwasserbereitung und sogar für sehr aufwendige Solarkraftwerke herangezogen wird, die nach dem Prinzip der Dampferzeugung für Turbinen arbeiten, werden niedrige Spannungen bisher unter Ausnutzung des sichtbaren Spektrums über Solarzellen aus Halbleitermaterial mit einem Wirkungsgrad von höchstens 15% erzeugt ("Energie von der Sonne", Informationsschrift der Elektrizitätswirtschaft, Bonn, 1981). Niedrige Spannungen würden z. B. vollkommen für die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Wasserzersetzung ausreichen (Zersetzungsspannung 1,23 V). Die Solarzellen aus Halbleitermaterial haben aber noch einen zu geringen Wirkungsgrad und sind noch zu teuer.

Die Aufgabe, die gelöst werden soll, besteht darin, mit einer preisgünstigeren und effizienten Methode niedrige Spannungen zum Zwecke der Wasserspaltung oder für andere elektrochemische Reaktionen, z. B. der Meerwasserentsalzung, zu erzeugen. Die photoelektrischen Solarzellen können nur einen Teil des sichtbaren Spektrums ausnutzen, die üblicherweise angegebene Sonnenleistung von 1 kW/m² bezieht sich aber auf das integrale Sonnenspektrum (in Äquatornähe etwa die doppelte Leistung).

Es liegt also nahe, wie bei Sonnenkollektoren für Brauchwasser gerade die Wärmestrahlung zu nutzen, die die mit einem gewissen Prozentsatz auch bei bewölktem Himmel zur Verfügung steht.

Anschließend sind diese elektrischen Solarzellen elektrisch mit geeigneten Elektrolysezellen zu verbinden, die auch das Auffangen und Speichern der gewonnenen Gase ermöglichen sollen.

Die Lösung der Aufgabe besteht gemäß dem Patentanspruch darin, eine thermoelektrische Solarzelle aus parallel und in Serie geschalteten Thermoelementen aufzubauen. Um den Metallaufwand zu reduzieren und um eine höhere Temperatur zu erreichen ist es sinnvoll, das Sonnenlicht auf eine kleinere Fläche mittels eines Kollektors in Form einer optischen Linse zu konzentrieren. Auf diese Weise kann die Sonnenenergie auch zu direkteren Anwendungen verwendet werden, nämlich zum Grillen von Bratgut und zum Kochen von Speisen.

Die elektrische Energie im Niedervoltbereich ist dann vor allem für elektrolytische Zellen zu verwenden, wodurch je nach Spannung entweder eine Entsalzung oder die Wasserspaltung erreicht werden kann.

Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung ist sowohl für die Erstellung großflächiger Anlagen als auch für kleinere, tragbare Einzelgeräte gegeben. Hierfür bieten sich vor allem dezentralisierte Gebiete in Ländern mit großer Wärmeeinstrahlung an. Es könnte bei der Betreibung von Elektrolysegeräten z. B. tagsüber der erzeugte Wasserstoff gesammelt werden und dann zu einer beliebigen Tageszeit für die Verbrennung herangezogen werden.

Die Speicherung in der Form von Wasserstoffgas wäre auch für längere Zeiträume möglich, sodaß auch in der Bundesrepublik mit 5% Fläche für Straßen, Wege und Eisenbahnen und 4,9% für Gebäude und Höfe eine sinnvolle Anwendung gegeben wäre. Diese Fläche entspricht etwa 2,5.10¹⁰ m². Wie nachfolgend gezeigt wird, kann durch Elektrolyse Wasserstoffgas mit einem Heizwert von rund 500 kJ/m²h erzeugt werden. Mit einer durchschnittlichen Sonnenscheinleistung von 1000 kWh/m²a ergäben sich somit 500 MJ/m²a und bezogen auf die ganze Fläche 12,5.10¹² MJ/a Heizwert. Diese unter günstigsten Annahmen berechnete Energiemenge entspräche etwa dem Jahresenergiebedarf der BRD.

Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung in Bezug auf den Stand der Technik bestehen nicht darin, ein Solarkraftwerk für die Fernversorgung mit elektrischer Energie zu ersetzen. Sie bestehen vor allem in der Kombination mit einem Elektrolysegerät, wozu sie aufgrund der einfachen Technologie, der zu erwartenden Preisgünstigkeit und des hohen Wirkungsgrades wesentlich besser geeignet sein dürfte als herkömmliche Solarzellen aus Halbleitermaterial.

Thermoelementen wird üblicherweise ein außerordentlich kleiner Nutzeffekt zugeschrieben. So kann man z. B. bei Gerthsen nachlesen (Ch. Gerthsen, Physik, 7. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg, 1963), daß er nur in der Größenordnung von 10^-6 liege. Diese Angabe dürfte völlig falsch sein. Dieser geringe Nutzeffekt wurde nämlich für die lichtelektrische Emssion aus Metallen bestimmt, der naturgemäß sehr klein sein muß, weil zum einen die Energie des auftreffenden Photons hauptsächlich gequencht wird, und zum andern das emittierte Elektron das Metall vollständig verlassen muß, wozu es die Bildkraft überwinden muß. Derselbe Effekt in umgekehrter Richtung, der Peltier-Effekt, hat nämlich einen sehr hohen Wirkungsgrad, wie die elektrischen Kühlelemente zeigen.

Nun ist beim Peltier-Effekt die an der Lötstelle entstehende Wärmemenge pro Zeiteinheit, WE = Q/t, in Abhängigkeit vom fließenden Strom I.

wobei π der Peltier-Koeffizient ist. Andererseits besteht zwischen diesem und der Thermokraft Δ U/Δ T der Zusammenhang

Setzt man (1) in (2) ein, so ergibt sich

oder für die entstehende elektrische Leistung

Dies ist ein linearer Zusammenhang zu der aufgenommenen Wärme (bei schwarzen, matten Flächen nahezu 100%), und wenn die Temperaturdifferenz Δ T mit der Temperatur der Lötstelle T vergleichbar wird, erreicht dieser Quotient ebenfalls einen hohen Wert (Beispiel: kalte Lötstelle 300 K = Bodentemperatur, warme Lötstelle T = 600K, damit wird Δ T = 300 K und Δ T/T = 0,5!).

Die Thermospannung von Thermoelementen liegt im Bereich von 50 µV Grad. Wird durch Reihenschaltung eine Spannungsdifferenz von Δ U = 2 V erreicht, so fließt für obiges Beispiel bei entsprechender Parallelschaltung und einer auftreffenden Sonnenleistung von 1 KW/m² (etwa BRD) ein Strom von Damit könnten durch Elektrolyse etwa 2 Mole oder fast 0,045 m³ Wasserstoffgas pro Stunde gewonnen werden mit einem Heizwert von etwa 450 kJ (entspricht etwa 10 g Benzin; in etwa 4 Std. wäre nach Kompression eine 10-l Stahlflasche mit 150 at gefüllt).

Ein Weg zur Ausführung ist in Abb. 1 skizziert. Ein Thermoelement besteht aus 2 verschiedenen Metallen (z. B. Eisen (Fe) - Konstantan (K) mit 53.10^-6 V/Grad), die zu einem Element mit zwei Lötstellen (oder besser Schweißstellen) 1 und 2 verbunden werden. Eine Lötstelle wird erhitzt auf T ^*, die andere wird auf kältere Temperatur T _o gehalten. Es erzeugt dann eine Thermospannung U _i (Abb. 1a). Durch Reihenschaltung summieren sich die Spannungen (Abb. 1b), durch Parallelschaltung würde sich die Belastbarkeit, d. h. der Strom, erhöhen. Anstatt nun parallel Ketten aus Drähten der Abb. 1b zu verbinden, kann man Bleche miteinander verbinden, deren Länge der Schweißnähte aneinandergereihten Schweißpunkten entspricht (Abb. 1c). Für den Elektronenaustausch ist nämlich nur die Kontaktfläche maßgebend.

Ein Grund für einen niedrigeren Wirkungsgrad der Thermoelemente besteht darin, daß die bei (1) zugeführte Wärme durch Wärmeleitung nach (2) gelangt und deshalb die Temperaturdifferenz ausgeglichen wird. Da die Potentialdifferenz an den Lötstellen auftreten und die Verbindung zur nächsten Lötstelle nur dem Stromfluß dient, kann man Abb. 1c so ausführen, daß daß man Bleche in der Form der Abb. 1d an den Nahtstellen zusammenschweißt. Es können auch Rinnen der Abb. 1e aus ungleichen Blechen hergestellt und mit Drähten D aus entsprechendem Material verbunden werden. Auf diese Weise wird der Wärmefluß von (1) nach (2) auf ein Minimum reduziert. Die keilförmigen Zwischenräume, die sich bei entsprechender Prägung der Bleche auch als parallele Zwischenräume ausführen lassen, sind mit Isolationsmaterial auszufüllen, wozu sich am heißen Ende z. B. Glas oder Glimmer eignen.

Zur Erhöhung der Temperatur und zur Verringerung des Materialverbrauchs kann der Thermoelementblock durch eine Linse, am besten eine materialsparende Fresnel- Linse, beschienen werden. Diese Ausführungsform eignet sich ohne Nachführvorrichtung allerdings nur für kleine, tragbare Einheiten mit einer Linsenfläche von von etwa 1 m², die rechteckig als Zylinderlinse auszuführen ist (Abb. 2).

Ein einfaches Gestell G trägt die Linse L, die mittels Stangen S in geeignetem Abstand mit der zu erwärmenden Fläche des Thermoelementblocks (FTH) verbunden ist. Die Linse kann als Fresnel-Linse ausgebildet sein, die günstig als Folie auf einer Glasplatte hergestellt werden kann. Diese Platte wird mit Haltestangen HS in Position gebracht. Die mit Drähten D verbundene kalte Fläche (FTK) liegt entweder darunter im Schatten oder kann bei leichtem Bogen sogar eingegraben werden.

Die Idee, mit einer Linse als Kollektor Sonnenlicht zu fokussieren, ist an sich nicht neu, in der vorliegenden Kombination wurde sie nach Kenntnis des Patentanmelders jedoch noch nicht angewandt.

Elektrolysezellen können daneben angeordnet werden. Hierzu dürften verschiedene Ausführungsformen bekannt sein. Weniger dürfte bekannt sein, daß bei geeignetem Elektrodenmaterial die Wasserstoffentwicklung gehemmt sein kann, sodaß bevorzugt gelöste Salze abgeschieden werden. Diese Zellen können dann in Verbindung mit dem thermo-elektrischen Solargenerator zur Meerwasserentsalzung verwendet werden.

Schließlich kann eine als Fresnel-Linse ausgebildete Zylinderlinse auch dazu verwendet werden, um Bratgut B am Spieß direkt zu erhitzen. Zu diesem Zweck ist ein Bratspieß BS drehbar mit einer Kurbel K auf einem Gestell G gelagert. Die Linse L ist in BS darüber mittels Stangen S schwenkbar angeordnet und wird mit Haltestangen HS abgestützt.

Außerdem kann eine als Fresnel-Linse ausgebildete Rundlinse dazu verwendet werden, um Speisen auf einer Platte oder in einem Topf zum Garen zu bringen. Hierzu werden üblicherweise Hohlspiegelkollektoren zur Erwärmung von unten benutzt. Weniger empfindlich und der Methode eines Raclettes entsprechend ist eine Erwärmung von oben, wobei auch nicht so viel Wärme durch die Erwärmung des Topfes verloren geht. Zu diesem Zweck steht ein Topf T auf der Platte oder dem Rost eines Gestells G. Die Linse L wird mittels einer Halterung H mit Drehpunkt D darüber schwenkbar angeordnet und mit Stangen S gestützt (Abb. 4).

Claims

Im Hauptanspruch wird das Patent beansprucht für eine thermo-elektrische Solarzelle, die aus parallel und in Serie geschalteten Thermoelementen aufgebaut ist und entweder direkt oder durch einen Sonnenkollektor in Form einer Linse, insbesondere einer Fresnel-Linse, beschienen wird.
Die besondere Ausführungsart ist dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschaltung durch die Verwendung von Metallstreifen anstatt durch die Querverbindung von Metalldrähten bewirkt wird (Abb. 1c). Außerdem wird der Wärmeübergang von der heißen zur kalten Lötstelle durch die Verwendung von schmaler Lamellen oder Drähte (Abb. 1d) auf ein Minimum reduziert.
Im
1. Unteranspruch
wird das Patent beansprucht für die Verwendung eines Kollektors in Verbindung mit der thermo-elektrischen Solarzelle, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine optische Linse, insbesondere eine Fresnel-Linse, im geeigneten Abstand über der thermo-elektrischen Solarzelle angebracht wird (Abb. 2).
Im
2. Unteranspruch
wird das Patent beansprucht für die Verwendung der thermo-elektrischen Solarzelle in Verbindung mit einer Elektrolysezelle zum Zwecke der Wasserstoffgewinnung (Wasserspaltung) oder Wasserentsalzung.
Darüber hinaus ergeben sich zwei unabhängige Nebenansprüche:
Im
1. Nebenanspruch
wird das Patent beansprucht für die Verwendung einer optischen Linse, insbesondere einer Fresnel-Linse, zum Grillen von Fleisch auf einem Spieß mit Hilfe der Sonnenenergie (Abb. 3).
Im
2. Nebenanspruch
wird das Patent beansprucht für die Verwendung einer optischen Linse, insbesondere einer Fresnel-Linse zum Grillen oder Garen auf einer Platte, einem Rost oder in einem Topf (Abb. 4).