DE3787875T2 - Thermophotovoltaisches system. - Google Patents
Thermophotovoltaisches system.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Energieumwandlungen und genauer auf thermophotovoltaische Systeme zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie.
- Photovoltaische Leistungsquellen in Form von photovoltaischen Hochleistungssolarzellen, die bei der Sonnenstrahlungsaussetzung brauchbar hohe Spannungen und Strom erzeugen, sind allgemein bekannt und eine Art von Solarzelle, stellt die Siliziumzelle dar. Die photoelektrischen Wirkungsgrade dieser Leistungsquellen sind auf Grund einer Reihe von Faktoren, wie etwa thermischen Faktoren und Wellenlängen Faktoren, verhältnismäßig gering. Zum Beispiel erwärmt nur ein Teil der Solarenergie die Solarzelle, während andere Teile der Solarenergie entweder in Richtung Sonne zurückreflektiert werden oder durch die Solarzelle hindurchgehen; die spezifische spektrale Energie der Sonnenstrahlung sorgt mit der Reaktion einer Silizium-Sperrschichtphotozelle für keine gute spektrale Anpassung, wobei die maximale spektrale Luminanz in Sonnenlicht bei etwa 500 Nanometern (wesentlich unter etwa 1100 Nanometern, dem maximalen photoelektrischen Wirkungsgrad der Silizium-Wellenlänge) auftritt und die Teile der Sonnenstrahlung mit Wellenlängen von mehr als 1100 Nanometern, werden bei dem photoelektrischen umwandlungsverfahren nicht verwendet und sie erzeugen nur Wärme in der Zelle, was eine erhöhte Kühlleistung notwendig macht, um die beste Leistungsfähigkeit der Zelle beizubehalten.
- Versuche zur Steigerung der photoelektrischen Wirkungsgrade von thermophotovoltaischen Leistungsquellen umfassen Vorschläge zur Verwendung von Spuren eines Seltenerdmetalls in dem Strahlungsumwandler; von Kollektorsystemen der Cassegrain-Art und/oder von Reflexionsresonator-Arten; und von Silizium, Aluminium oder einem ähnlichen Metall zur Speicherung der Wärmeenergie.
- In dem Patent US-A-4 419 532 führt ein Kollektor der Außenwand eines doppelwandigen Kreisrings eines Behältnisses Solarenergie zu, welche durch Leitung durch Wärmespeichermaterial darin die Innenwand des Kreisrings erwärmt, zum Abstrahlen von Energie an die Sperrschichtphotozellen in dem Kreisring.
- EP-A-0 139 434 beschreibt einen schmalbandigen Wärmestrahler zur Verwendung in einer thermophotovoltaischen Vorrichtung.
- Der Artikel "Design Analysis of TPV-Generator System", von Kittle u. a., der in der 25th Annual Proceedings Power Source Conference im Mai 1972 veröffentlicht wurde, bezieht sich auf ein thermophotovoltaisches Energieumwandlungssystem, wie es in dem vorkennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 vorkommt.
- Bereitgestellt wird gemäß der vorliegenden Erfindung, ein thermophotovoltaisches Energieumwandlungssystem, welches eine Wärmeenergiequelle, einen Schmalbandstrahler und eine Photozellenanordnung aufweist, wobei sich letztere in optisch gekoppelter Relation zu dem genannten Schmalbandstrahler befindet, um als Reaktion auf auffallende Strahlung von dem Schmalbandstrahler eine elektrische Leistung zu erzeugen, wobei der Strahler optisch von der Wärmeenergiequelle isoliert ist und dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Durchflußweg die genannte Energiequelle und den genannten Strahler miteinander verbindet und wobei der Durchflußweg ein Gas mit geringem Emissionsvermögen enthält, um die Wärmeenergie von der genannten Energiequelle konvektiv zu dem genannten Strahler zu übertragen.
- Die Wärmeenergiequelle kann von verschiedener Art sein, wie etwa ein Sonnenergieabsorber, ein Kernreaktor (wie etwa ein Hochtemperaturgasreaktor vom Typ UHTREX), ein Radioisotopstoff oder eine chemische Flamme und die Wärmeenergiequelle sorgt vorzugsweise für eine Temperatur von mindestens 1300ºC. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Quelle und der Strahler durch einen geschlossenen Durchflußweg verbunden und die Wärmeenergie wird konvektiv durch den Strom eines Gases mit geringem Emissionsvermögen übertragen.
- In den bevorzugten Ausführungsbeispielen besteht der Schmalbandstrahler zum Beispiel aus einem Seltenerdmetall in Blatt- oder Faserform, mit einem Querschnitt im Bereich von 5-30 Mikrometern. Bei faserartigen Strahlern verringert der geringe Durchmesser jeder Faser die Wärmebeanspruchung in der diametralen Richtung und die langen, dünnen Fasern biegen sich, um die Längsbeanspruchung zu reduzieren. Desweiteren verbinden sich die dünnen Fasern gut mit heißen Konvektionsgasen, da keine kennzeichnenden Grenzschichten vorhanden sind. Somit erreichen die Fasern sehr hohe Temperaturen und befinden sich in annäherndem Temperaturgleichgewicht mit dem zirkulierenden Gas. Optisch begrenzt die geringe optische Dicke der dünnen Fasern die außerbandige Absorption (Emission), die in den meisten Keramikwerkstoffen durch Verlustmechanismen, wie etwa freie Trägerabsorption oder Strukturfehler auftritt, mit der Ausnahme der gewünschten Absorption, die durch den elektronischen Übergang auftritt.
- In besonderen Ausführungsbeispielen setzt sich der Schmalbandstrahler aus Interlockfasern mindestens eines Oxids eines Grundseltenerdmetalls zusammen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Erbium, Holmium, Neodym und Ytterbium umfaßt, wobei der Schmalbandstrahler bei einer Erwärmung auf 1700ºC die Strahlung in einem spektralen Bestrahlungsprofil abstrahlt, wobei das Profil eine Schmalstrahl-Flußspitze aufweist, die sich weniger als 400 Nanometer unterhalb der Elektronenerzeugungsschwelle der Photozellenanordnung befindet, wobei der Strahlungsfluß des Strahlers eine volle Breite bei der Hälfte des Spitzenwerts (bei der Hälfte des maximalen Strahlungsflusses des Strahlers) von weniger als 400 Nanometern aufweist und wobei das spektrale Bestrahlungsprofil unterdrückte Wellenfallenränder aufweist, so daß bei Wellenlängen von 500 Nanometern oberhalb und unterhalb der Spitzenwellenlänge, die Wellenfallenränder Strahlungsflüsse je Wellenlängeneinheit aufweisen, die weniger als zehn und vorzugsweise weniger als 5 Prozent der Profilspitze des Strahlungsflusses je Wellenlängeneinheit ausmachen. Beispiele von Schmalbandstrahlern, die den Photozelleneigenschaften angeglichen worden sind, umfassen einen Ytterit-Strahler und eine Silizium-Photozelle und einen Erbiumoxid-Strahler und eine Germanium-Photozelle. In einem besonderen Ausführungsbeispiel befindet sich der Strahler in einer Aluminiumoxid-Röhre (LucaloxTM), die lichtdurchlässig ist und die Photozellenanordnung ist um die durchlässige Röhre herum angeordnet und an einer Abstrahlstruktur angebracht. Isolierte Keramikröhrenteile verbinden die Aluminiumoxid-Röhre und die Wärmeenergiequelle. Wenn Sonnenstrahlung die Quelle der Wärmeenergie darstellt, so konzentriert eine geeignete Sonnenenergie-Kollektoreinrichtung, wie etwa ein Reflektorsystem und ein sphärischer Reflexionsresonator, in dem sich ein röhrenförmiger Breitbandabsorber befindet, die eintreffende Sonnenstrahlung so, daß sie auf dem Breitbandabsorber auftrifft. Während diese Wärmewandler die Energie durch die gleiche Einrichtung empfangen und freisetzen, so kann ein Schmalbandstrahler nicht gleichzeitig ein Brandbandstrahler sein. Für die Strahlungsisolierung wird zwischen dem Absorber, dem Strahler und einem Gas mit geringem Emissionsvermögen gesorgt (ein Gas ohne kennzeichnende, infrarotaktive, wesentliche Schwankungen, wie etwa ein einatomiges Gas, zum Beispiel Helium oder Argon, oder ein homonukleares zweiatomiges Gas (zum Beispiel Sauerstoff oder Stickstoff oder Mischungen dieser Gase)), wobei das Gas die Wärmeenergie durch Konvektion von dem Absorber zu dem Strahler überträgt. In einem besonderen Ausführungsbeispiel stellt der Absorber ein Röhrenelement aus Siliziumkarbid dar und wenn es zweckmäßig ist, eine Wiederausstrahlungs-Grenzschicht aus einem geeigneten Stoff, zum Beispiel kann eine Schicht aus Thoriumoxid und Zerdioxid auf dem Absorber bereitgestellt sein, welche die Wiederausstrahlung bei Wellenlängen oberhalb von etwa einem Mikrometer beschränkt.
- Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsverfahrens in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich, wobei in den Zeichnungen folgendes gilt:
- Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eine thermophotovoltaischen Umwandlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
- die Fig. 2 und 3 zeigen Teilansichten entlang den entsprechenden Linien 2-2 und 3-3 aus Fig. 1; und
- Fig. 4 zeigt einen Graph, der die Spektraleigenschaften einer Thoriumoxid-Zerdioxid-Strahlung zeigt, das erdnahe Sonnenspektrum, den Schmalbandstrahleraustritt und die idealisierte photovoltaische Reaktion von Silizium.
- In der schematischen Ansicht aus Fig. 1 wird ein Energieumwandlungssystem dargestellt, das ein sonnenenergiekollektor- und Konzentratorsystem (10) umfaßt, welches Reflektoren aufweist, die schematisch unter (12, 12') dargestellt sind, um die Sonnenstrahlung durch die Öffnung (14) in den sphärischen Reflexionshohlraum, der schematisch durch die (16) dargestellt ist, zu konzentrieren. In dem Hohlraum (14) befindet sich zum Empfang der konzentrierten Sonnenstrahlung eine keramische (Siliziumkarbid) Absorberröhre (18). In der Röhre (14) befindet sich eine Fluß-Führungsstruktur (22), die auch in Fig. 2 dargestellt ist.
- In einem Abstand zu der Absorberröhre (18) befindet sich ein zylinderförmiges Fenster (24) aus Aluminiumoxid (Lucalox), wobei sich in dem Fenster ein Strahler (26) aus ungeordneten Ytteritfasern befindet. Der Fensterzylinder (24) des Strahlers ist von einer zylinderförmigen Anordnung (28) von Silizium- Sperrschichtphotozellen umgeben, die an einer Abstrahlstruktur (30) angebracht sind. Vorzugsweise tragen die vorderen Oberflächen der Photodioden (28) eine Antireflexschicht zur Minimierung der Reflexionsverluste; und die Silizium-Photodioden weisen zur Maximierung der Photonumwandlung vorzugsweise eine Dicke von etwa einem Millimeter auf. Die Wahrscheinlichkeit der Photonumwandlung wird durch die Bereitstellung einer texturierten vorderen Oberfläche und einer Reflexionsschicht (zum Beispiel Silber, Aluminium oder Kupfer) auf den Ruhekontakten der Photodioden (28) weiter gesteigert. Die Last (32) ist mit einer Anordnung von Photodioden (28) verbunden.
- Isolierte Keramikröhrenteile (34, 36) verbinden die Absorberröhre (18) und die Fensterröhre (24) des Strahlers, um für einen geschlossenen Durchflußweg zu sorgen. In dem Strömungsweg kann neben dem Strahler (26) eine Fasersicherungsstruktur (unter (38) schematisch dargestellt) vorhanden sein, um den Wärmeaustausch zwischen dem Gasstrom in dem geschlossenen Kreis und den strahlerfasern (26) zu verbessern. Wenn freie Konvektionsübertragungsraten nicht geeignet sind, so kann in die Kreisströmung ein keramisches Schaufelradgebläse (schematisch unter (40) dargestellt) eingefügt werden. Ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von Ytteritfasern umfaßt den Schritt der Imbition von absorbierenden organischen Fasern in einer wässerigen Lösung aus Ytterbiumnitrat und dann den Wärmevorgang der aufgenommenen absorbierenden Fasern unter geregelten Bedingungen der Art, wie sie in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Eingangsnummer 634.379 beschrieben sind, wobei diese Anmeldung am 31. Juli 1984 unter dem Titel "Thermophotovoltaic Technology" eingereicht wurde und sie dem gleichen Zessionar dieser Anmeldung übertragen worden ist (die Offenbarung dieser Anmeldung ist hierin ausdrücklich durch Verweis eingefügt), in einem thermischen Denitrierungsverfahren zur Bildung von Ytterit und zur thermischen Zersetzung sowie Entfernung des organischen Substratstoffes und dann werden die resultierenden Ytteritfasern für etwa fünf Minuten einer Temperatur von etwa 1600ºC ausgesetzt, um die Metalloxidfasern weiter zu schrumpfen und zu verdichten. Die sich ergebenden Ytteritfasern halten im wesentlichen die kennzeichnenden physikalischen Merkmale von deren Vorgängern, den organischen Fasern, jedoch mit wesentlich verkleinerten Maßen.
- Bei dem Betrieb des Systems trifft die Sonnenstrahlung (Spektrum (50) - Fig. 4), die durch das Reflektorsystem (12) und den Konzentrationshohlraum (14) konzentriert worden ist, auf der keramischen Absorberröhre (18) auf und erwärmt das Gas mit niedrigem Emissionsgrad (Luft, Helium, Stickstoff bzw. ein anderes geeignetes Gas oder Gasgemisch) in dem geschlossenen Kreis der Röhren (18, 34, 24 und 30) auf eine Temperatur von etwa 1700ºC. Der heiße Gasstrom zirkuliert in dem geschlossenen Kreis (mit Unterstützung der Zirkulations-Verbesserungseinrichtung (40), wenn freie Konvektionsübertragungsraten in schwerelosen Umgebungen nicht angemessen sind oder zur Verfügung stehen) und erwärmt die Ytterit-Strahlerfasern (26) auf Temperaturen, die sich 1700ºC nähern. Die Strahlerfasern (26) erzeugen eine Strahlungsabgabe in einem spektralen Bestrahlungsprofil, wie dies durch die Kurve (54) in Fig. 4 veranschaulicht wird, wobei dieses Profil bei etwa 980 Nanometern eine Flußspitze (56) aufweist, wobei die Spitze (56) die volle Breite etwa auf der Hälfte des Spitzenwertes (an den Punkten (58)) von etwa 185 Nanometern aufweist und wobei das spektrale Bestrahlungsprofil unterdrückte Wellenfallenrandeigenschaften aufweist, wobei die Wellenfallränder (60) Strahlungsflußhöhen aufweisen, die weniger als zwei Prozent der Profilspitze des Strahlungsflusses je Wellenlängeneinheit betragen. Die Elektronenerzeugungsschwelle der silizium-Photozellen (28) beträgt 1150 Nanometer, wie dies durch die idealisierte Silizium-Frequenzkurve (62) in Fig. 4 dargestellt ist. Die Ytteritfasern (26) sorgen somit bei einer Erwärmung auf etwa 1700ºC für eine hohe Leistungsspitze nahe der Elektronenerzeugungsschwelle der silizium-Photozellen (28), so daß die Wirksamkeit der elektrischen Energieumwandlung des Systems hoch ist - etwa 80 Prozent der gesamten Strahlungsflußleistung der strahlerfasern (26) sind über den wellenlängenbereich von 400-2500 Nanometern in elektrische Energie umwandelbar, und zwar auf der Basis der in der Fig. 4 dargestellten theoretischen Reaktion der Siliziumzelle.
Claims (14)
1. Thermophotovoltaisches Energieumwandlungssystem,
welches eine Wärmeenergiequelle (18), einen Schmalbandstrahler
(26) und eine Photozellenanordnung (28) aufweist, wobei sich
letztere in optisch gekoppelter Relation zu dem genannten
Schmalbandstrahler befindet, um als Reaktion auf auffallende
Strahlung von dem Schmalbandstrahler eine elektrische Leistung zu
erzeugen, wobei der Strahler (26) optisch von der
wärmeenergiequelle (18) isoliert ist und dadurch gekennzeichnet,
daß ein geschlossener Durchflußweg (34, 36) die genannte
Energiequelle und den genannten Strahler miteinander verbindet,
und wobei der Durchflußweg ein Gas mit geringem Emissionsvermögen
enthält, um die Wärmeenergie von der genannten Energiequelle
konvektiv zu dem genannten Strahler zu übertragen.
2. Energieumwandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der Wärmeenergiequelle (18) um
einen Sonnenenergieabsorber, einen Kernreaktor oder einen
Radioisotopstoff handelt.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die wärmeenergiequelle (18) für eine
Temperatur von mindestens 1300ºC sorgt.
4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit geringem
Emissionsvermögen in Wellenlängenbereichen bis zu einem Mikron
über der Elektron-Erzeugungsschwelle der Photozellenanordnung,
ein Emissionsvermögen von weniger als einem Prozent der
Gleichgewicht-Wärmestrahlung aufweist.
5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler (26) bei einer Erwärmung
auf 1700ºC, die Strahlung in einer spektralen Strahlungsdichte
ausstrahlt, die eine Schmalstrahl-Flußspitze aufweist, die sich
weniger als 400 Nanometer unter der Elektron-Erzeugungsschwelle
der Photozellenanordnung befindet.
6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler eine Anordnung von
Metalloxidfäden aufweist, wobei jeder Faden vorzugsweise einen
Durchmesser im Bereich von 5-30 Mikrometern aufweist.
7. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strahler (26) aus Ytterit
zusammensetzt, und daß die Photozellenanordnung (28) von der
Siliziumart ist.
8. System nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß sich der Strahler (26) aus Erbiumoxid
zusammensetzt, und daß die Photozellenanordnung (28) von der
Germaniumart ist.
9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeenergiequelle einen
Breitbandabsorber (18, 22) darstellt, der sich in dem
geschlossenen Durchflußweg befindet und der eine Röhre (18) aus
einem hochwarmfesten Material aufweist.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Röhre (18) an ihrer Oberfläche eine Schicht zur Begrenzung
der Strahlungs-Wiederausstrahlung aufweist, wobei sich die
Schicht aus Thoriumoxid-Zeroxid zusammensetzt.
11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Breitbandabsorber (18, 22) ein Streifen-
Wärmeübertragungsglied (22) aus einem hochwarmfesten Material
aufweist, wobei dieses Glied einen Teil des geschlossenen
Durchflußweges (34, 36) bildet.
12. System nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Sonnenenergie-Kollektoreinrichtung (10)
bereitgestellt ist, die ein Reflektorsystem (12, 12') aufweist
und einen sphärisch reflektierenden Hohlraum (16), wobei sich das
Breitbandabsorberelement (18, 22) in dem genannten sphärisch
reflektierenden Hohlraum befindet, und wobei die Sonnenenergie-
Kollektoreinrichtung die eintreffende Sonnenstrahlung so
konzentriert, daß diese auf dem Breitbandabsorber auftrifft.
13. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Durchflußweg (34,
36) aus einem isolierten Keramik-Röhrenmaterial gebildet wird.
14. System nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler (26) eine Anordnung von
Metalloxidfäden aufweist, wobei jeder dieser Fäden einen
Durchmesser im Bereich von 5-30 Mikrometern aufweist und sich in
einem optisch transparenten, röhrenförmigen Element (24) aus
einem hochwarmfesten Material befindet, der einen Teil des
genannten geschlossenen Durchflußwegs (34, 36) bildet.
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