DE4419946A1 - Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Umwandlung der Ener­ gie des Sonnenlichts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sonnenenergie-Umwandlungsanlagen nützen die auf Solarzellen gerichtete Sonnenstrahlung zur Erzeugung elektrischer Energie. Ein Anteil der Sonnenstrahlung wird dabei üblicherweise auf einen Wärmeabsorber konzentriert und in Wärme umgesetzt, die einem Verbraucher zugeführt wird.

Aus der DE PS 32 26 167 ist eine Sonnenenergie-Umwandlungsan­ lage bekannt, bei der gebündelte Sonnenstrahlung ein strah­ lungsdurchlässiges Fenster eines Solarwandlers passiert und von Solarzellen und einem die Solarzellen kühlenden Fluid auf­ genommen wird, wobei derjenige Strahlungsanteil, welcher von den Solarzellen nicht in elektrische Energie umsetzbar ist vom Fluid möglichst stark absorbiert wird, während der von den Solarzellen in elektrische Energie umsetzbare spektrale Strah­ lungsanteil möglichst ungeschwächt das Fluid durchläuft und das Fluid in einem Kreislauf zur Auskopplung thermischer Ener­ gie umgepumpt wird. Gemäß diesem Stand der Technik erreicht die gebündelte Solarstrahlung im Fluid des Solarwandlers den engsten Querschnitt und das wieder divergierende Strahlenbün­ del fällt auf die Solarzellen, die auf einer gekrümmten Schale angeordnet sind. Die Solarzellen werden von dem Fluid gekühlt. Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist die konstruktiv sehr aufwendige Ausführung der Anlage und die zusätzlich er­ forderlichen Vorrichtungen zur Bündelung der Solarstrahlen vor Eintritt in den Solarwandler.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Um­ wandlung der Energie des Sonnenlichts in thermische und elek­ trische Energie zu schaffen, die ohne zusätzliche Vorrichtun­ gen zur Bündelung der Solarstrahlen vor Eintritt in die ther­ misch/elektrischen Solarwandler auskommt, konstruktiv einfach und daher kostengünstig in der Herstellung ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung mit einer Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Gemäß der Erfindung sind Absorberplatten der Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts mit einer nach außen gewölbten, lichtdurchlässigen Abdeckung versehen, die auf der Absorberplatte aus Metall flüssigkeitsdicht befestigt ist. Die Form der Abdeckung bildet mit den plattenförmigen Absorber­ platten eine röhrenförmige Fluidsäule. Die Absorberplatten werden von lichtdurchlässigem Fluid durchströmt. Auf die Ab­ sorberplatten fallendes Sonnenlicht wird von der Abdeckung und der Fluidsäule gebrochen und in einem gewissen Abstand zur Abdeckung um eine zur Achse der Fluidsäule parallele Linie gebündelt. Solarzellen und/oder Wärmeabsorber der Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts sind entlang der Linie in einem Bereich angeordnet, in dem die Bündelung des Sonnenlichts nahezu am dichtesten ist, so daß Solarzellen und/ oder Wärmeabsorber mit besonders hoher Lichtintensität beauf­ schlagt sind. Das in die Absorberplatten einfallende Sonnen­ licht gibt beim Durchlaufen des gepumpten oder konvektiv flie­ ßenden Fluids einen Teil seiner thermischen Energie an das Fluid direkt oder an die dunkle Absorberplatte ab, die sich erwärmt. Das Fluid kann nach Durchströmen der Absorberplatten die aufgenommene thermische Energie an externe Verbraucher wieder abgeben. Mit der Erfindung wird also auf konstruktiv besonders einfache Weise das Fluid in doppelter Weise genützt:

• 1. als Konzentrator, um das Sonnenlicht auf die Solarzellen und/oder die Absorberplatten zu bündeln, und
• 2. als Transportmedium für die im Sonnenlicht enthaltene ther­ mische Energie, das u. U. auch die Solarzellen kühlt.

Der kostengünstige Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts und die einfache Konzentration des Sonnenlichts führt zu einer wesentlichen Verringerung der benötigten Anzahl Solarzellen bei gleicher elektrischer Leistung und annähernd gleicher Wärmeausbeute.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts sind die Abdeckungen der Absorberplatten aus sinuswellenförmigem, stranggepreßtem Plexiglas oder Polycarbonat, das sich bei niedrigen Ferti­ gungskosten als besonders wetterbeständig und schlagfest er­ weist und sich vorteilhaft an die Ziegeleindeckung von Hausdä­ chern anpaßt, da die wellenförmige Ausformung der Ziegelein­ deckung eines Hausdachs ihr sehr nahe kommt. Vorteile der wel­ lenförmigen Ausformung sind auch im Hinblick auf Stabilität, Wetterfestigkeit, Schneelast und Selbstreinigung durch Regen zu erkennen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Absorberplatten mit lichtdurchlässigen Durchbrechun­ gen versehen, durch die das gebündelte Sonnenlicht aus den Absorberplatten austreten kann und auf außerhalb der Absorber­ platten angeordnete Solarzellen fallen kann. Die Solarzellen bleiben gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung außerhalb der Absorberplatten witterungsgeschützt jederzeit gut zugänglich, so daß Austausch, nachträgliche Wartungs- oder Justier- arbei­ ten leicht durchgeführt werden können, sowie Kühlung durch Luftkonvektion möglich ist. Die Herstellung der Absorberplat­ ten ist nicht durch die Integration von Solarzellen kompli­ ziert.

Mit der Anordnung der Solarzellen außerhalb der Absorberplat­ ten auf einer der Zu- der Abfuhrleitungen für das Fluid können auch die Solarzellen auf einfache Weise gekühlt werden. Vor­ teilhaft sind die außerhalb der Absorberplatten angeordneten Solarzellen auf der Leitung für den Rücklauf des Fluids mon­ tiert, so daß für die Solarzellen keine zusätzlichen Träger­ elemente gebraucht werden.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts sieht Absorber­ platten aus gewelltem Blech vor, das mit flächigen, durchsich­ tigen Abdeckplatten zu wellenförmigen Röhren verklebt ist. Diese Ausgestaltung eignet sich in besonderer Weise dazu, in ein Hausdach integriert zu werden, da die wellenförmige Form der Absorberplatten der Ziegeleindeckung eines Hausdachs sehr nahe kommt. Weitere Vorteile der wellenförmigen Ausgestaltung ergeben sich im Hinblick auf Stabilität, Wetterfestigkeit, Schneelast und Selbstreinigung der Absorberplatten.

Bei Ausrichtung der erfindungsgemäßen wellenförmigen Röhren der Absorberplatten in Ost-West Richtung ändert sich je Röhre der Ort der Brennlinien des gebündelten Sonnenlichts nicht oder nur wenig, so daß an oder unter den Röhren nur ein Strei­ fen geringer Breite mit Solarzellen bestückt werden muß, die während des ganzen Tages mit erhöhter Lichtintensität aus dem gebündelten Licht beaufschlagt werden, und keiner Nachführung entsprechend des Sonnengangs bedürfen.

Die erfindungsgemäßen Absorberplatten der Vorrichtung zur Um­ wandlung der Energie des Sonnenlichts können durch Variation des optischen Verhaltens des Materials der lichtdurchlässigen Abdeckung, durch Variation der Form der Abdeckung und der Ab­ sorberplatte, beispielsweise indem die Form der Abdeckung lin­ senförmig, prismatisch, sphärisch oder parabolisch gebildet wird, optimiert werden, so daß die Bündelung des Sonnenlichts verstärkt wird und/oder der Bereich innerhalb dem sich das gebündelte Sonnenlicht während des Tages bewegt, eng gehalten oder spektral, das heißt in einen elektrischen und thermischen Bereich, zerlegt wird.

Die erfindungsgemäßen Absorberplatten der Vorrichtung zur Um­ wandlung der Energie des Sonnenlichts können aber auch durch Variation des optischen Verhaltens des Fluids optimiert wer­ den, so daß die Bündelung des Sonnenlichts verstärkt wird und/oder der Bereich innerhalb dem sich das gebündelte Sonnen­ licht während des Tages bewegt, eng gehalten wird. Durch Ein­ färben des Fluids kann Licht selektiv aufgeteilt werden, so daß nur der für die Solarzellen ergiebige spektrale Anteil des Sonnenlichts durch das Fluid hindurchdringt, und der übrige spektrale Anteil des Sonnenlichts im Fluid absorbiert wird. Die spektrale Aufteilung des Sonnenlichts im Fluid führt zu effektiver Erwärmung des Fluids, und entlastet die Solarzellen von thermisch intensiver Strahlung, so daß die Solarzellen in einem niedrigen Temperaturbereich bleiben, wobei sie pro °K um den ihre Temperatur niedriger ist, einen um 0,35-0,55% bes­ seren Wirkungsgrad zur Umwandlung des Sonnenlichts in elektri­ sche Energie aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Fluid in den Absorberplatten ein Elektrolyt, das zur Speicherung elektrischer Energie oder auch zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff herangezogen werden kann. Ein sekundärer Wärme­ kreislauf ist in diesem Fall an die Wärmeabsorber angeschlos­ sen, wobei dem Fluid neben der Funktion als Wärmeträger und der optischen Konzentration des Sonnenlichts noch eine chemi­ sche oder chemoelektrische Funktion zukommt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung der wellenförmigen Abdeckplatte,

Fig. 2 eine Ansicht einer Absorberplatte,

Fig. 3 die zu einer Einheit zusammengefügte Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts,

Fig. 4 einen Querschnitt durch Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung von vier kaskadier­ ten Vorrichtungen zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine modifizierte Abdeck­ platte,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die modifizierte Abdeckplatte gemäß Fig. 6, und

Fig. 8 eine weitere Modifikation der Abdeckplatte.

Fig. 1 Eine Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Son­ nenlichts weist eine lichtdurchlässige Abdeckung 1 aus sinus­ wellenförmigen, stranggepreßten Plexiglas oder Polycarbonat auf, deren Wellen im Wechsel konvex/konkav ausgebildet sind. Ober- und Unterkanten der Abdeckplatte 1 sind verschlossen und mit Ein- und Auslaßöffnungen 2 versehen, in die flüssigkeits­ dichte Röhren 3 eingelassen sind.

Fig. 2 Eine Absorberplatte 4 aus Metall weist eine Durchbre­ chung 5 auf, die mit einer lichtdurchlässigen, fluiddichten Folie 6 verschlossen ist. Durchbrechung 5 ist so angeordnet, daß Sonnenlicht durch die Durchbrechung auf Solarzellen 8 fal­ len kann, die in gutem thermischen Kontakt auf einem Rohr 7 befestigt sind, das mit einem abgewinkelten Teil 9 der Durch­ brechung 5 thermisch isoliert verbunden ist.

Fig. 3 Übereinstimmende Merkmale der erfindungsgemäßen Vor­ richtung sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 und Fig. 2 ver­ sehen. Die Absorberplatte 4 mit den fluiddichten, lichtdurch­ lässigen Durchbrechungen 5 ist mit der Abdeckung 1 fluiddicht zur Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts verklebt. Die wellenförmige Abdeckung 1, die an der Ober- und Unterkante der Abdeckplatte 1 fluiddicht mit den Röhren 3 verbunden ist, wird, z. B. aufgrund von Wärmekonvektion, ent­ sprechend den Pfeilrichtungen vom Fluid 10 durchströmt. Die Röhren 3 können gemäß der Erfindung auch durch halbkreisförmi­ ge Ausformungen in den oberen und unteren Rändern der Absor­ berplatte 4 und der Abdeckplatte 1 in die Absorberplatte 4 und die Abdeckplatte 1 integriert sein oder in getrennten Leitungen zwischen der Absorberplatte 4 und einem Dach enthal­ ten sein. Das von dem zwischen der lichtdurchlässigen Abdec­ kung 1 und der Absorberplatte 4 fließenden Fluid 10 gebrochene und gebündelte Sonnenlicht gelangt durch die lichtdurchlässige und fluiddichte Durchbrechung 5 und trifft auf die auf dem Rohr 7 für den Rücklauf des Fluids aufgereihten Solarzellen 8. Die Absorberplatte 4 kann mit Befestigungsvorrichtungen (nicht dargestellt) z. B. auf ein Hausdach montiert werden.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts mit der wellenförmigen Abdeckung 1, den Ein- und Auslaßöffnungen 2 an Ober- und Unterkante der Abdeckplatte 1, die durch Verklebung 12 auf der Absorberplatte 4 befestigt ist. Einfallendes Son­ nenlicht 13 wird von dem Fluid 10 gebrochen und gebündelt und trifft so auf die Solarzellen 8. Rohr 7 für den Rücklauf ist mit dem abgewinkelten Teil 9 an der Absorberplatte 4 montiert.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, bei der 4 Einheiten der Vorrichtung zur Umwandlung der Energie des Sonnenlichts in Serie und parallel geschaltet sind. Die Absorberplatten 4 und die entsprechende Abdeckung 1 sind als Blöcke dargestellt. Die Röhren 3 führen in eine Sammelleitung für einen Vorlauf 13, z. B. zu einem Wärmetauscher 14 und nach Abgabe der thermischen Energie des Fluids über die Sammelleitung 15 für den Rücklauf zurück in die Röhre 7 für den Rücklauf, auf der sich die So­ larzellen 8 befinden. Über Klemmen 11 einer elektrischen Ver­ bindung mit den Solarzellen 8 wird der Solarstrom z. B. an ei­ nen Verbraucher für elektrische Energie 16 angeschlossen oder er dient zur Aufladung eines Akkumulators 17.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung der durchsichtigen Abdeckung 1 in plankonvexer Form, die mit der Absorberplatte 4 verbunden ist. Bei dieser Ausführung entsteht keine Brennlinie, sondern ein Brennpunkt, der bei starker Krümmung thermisch und bei schwa­ cher Krümmung elektrisch wirkt. Ein- und Auslaßöffnungen 2 werden von Fluid durchströmt. Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die Ausführung gemäß Fig. 6.

Fig. 8 Die Abdeckung 1 der Absorberplatten 4 kann zur besse­ ren Bündelung und Brechung des Sonnenlichts prismatisch sein. Die Abdeckung 1 der Absorberplatten 4 kann aber auch sphärisch oder parabolförmig sein. Das durch die Absorberplatten 1 zir­ kulierende Fluid kann gemäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung zur selektiven Lichtaufteilung eingefärbt sein oder gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Speicherung elektrischer Energie elektrolytisch wirken. In dieser letzte­ ren Ausführungsform waren die Absorberplatten 1 an einen se­ kundären Wärmekreislauf (nicht dargestellt) angeschlossen. Das Fluid kann Wasser mit einem Brechungsindex V von V=1,33 oder Öl mit ca. V=3 sein.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Umwandlung-der Energie des Sonnenlichts mit Solarzellen (8) in elektrische Energie und Absorberplatten (4) in thermische Energie, wobei die Wär­ meabsorber (4) dem Sonnenlicht zugewandte lichtdurchläs­ sige Abdeckungen (1) und Anschlüsse (2) für Zu- und Rück­ lauf von Fluid aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (1) und/oder die Absorberplatte (4) Wellen aufweist, die im Wechsel konvex/konkav ausgebildet sind, das Fluid lichtdurchlässig und lichtbrechend ist, die Absorberplatte (4) aus Metall ist und fluiddicht mit der Abdeckung (1) verbunden ist, und die Solarzellen (8) und/oder die Absorberplatte (4) in Bereichen angeordnet sind, zu denen das Sonnenlicht von der Abdeckung (2) und/oder dem Fluid hin gebrochen und gebündelt wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (1) der Absorberplatten (4) aus sinuswellen förmigem, stranggepreßtem Plexiglas oder Polycarbonat in der Größenordnung herkömmlicher Dachziegel oder einer Gruppe Dachziegel gefertigt ist, deren Sinuswellen paral­ lel verlaufen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatten (4) fluiddichte, lichtdurchlässige Durchbrechungen (5) jeweils in einem Bereich aufweisen, zu dem das Sonnenlicht von der Abdeckung (1) und/oder dem Fluid gebrochen und gebündelt wird, und im weiteren Strahlengang des gebündelten Sonnenlichts außerhalb der Absorberplatten (4) die Solarzellen (8) oder Wärmeabsor­ ber angeordnet sind.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (4) auf einem Zu- oder Rücklauf des Fluids montiert sind.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatten (4) aus gewelltem Blech mit licht­ durchlässigen und fluiddichten Durchbrechungen (5) und einer durchsichtigen, flächigen Abdeckung (1), die mit dem gewellten Blech verklebt ist, gebildet ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren, die das gewellte Blech mit der Abdeckung (1) oder die Abdeckung (1) mit den Ab­ sorberplatten (4) aus sinuswellenförmigem, stranggepreß­ tem Plexiglas oder Polycarbonat bildet, in Ost-West Rich­ tung vorzugsweise auf Ziegeleindeckungen von Hausdächern ausgerichtet sind.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (1) aus optisch dichterem Material und/oder linsenförmig oder prismatisch ausgebildet ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid aus optisch dichtem Material mit einem Brechungsindex V< 1, wie Wasser mit V = 1,33 oder Öl mit V = ca. 3 und/oder zur selektiven Lichtaufteilung einge­ färbt und insbesondere fluoreszierend eingefärbt ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein Elektrolyt ist, und ein sekundärer Wärme­ kreislauf an die Absorberplatten (1) angeschlossen ist.