WO2007003157A2 - Vorrichtung zur konversion von solarenergie in elektrische energie - Google Patents

Vorrichtung zur konversion von solarenergie in elektrische energie Download PDF

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Definitions

  • the object of the invention is to increase the efficiency of the conversion of solar energy in photovoltaic cells in combination with the production of hydrogen and oxygen with technically simple means.
  • the invention resides in a device according to claim 1 in several embodiments.
  • the invention is in a first embodiment in a solar cell device according to spoke 1 and a further embodiment according to A2, wherein for the purpose of producing different voltage potentials embodiment, a circuit according to claim 3 can be carried out.
  • a further Aus sympatsform of the invention may be defined according to claim 4, wherein the manipulation of the voltage potential achieved according to claim 5 can be proceeded.
  • a further embodiment of the invention may be with a device according to claim 6.
  • a significant improvement of the invention is given by the embodiments according to claims 7 and 8. Since the electrodes of the semiconductors are cooled directly or kept at a uniform operating temperature under the strongest solar radiation, the photovoltaic voltage at elevated temperature is no longer reduced by the increased Brown's motion and thus increased recombination, for which at least 0.3-0, 5% / 10 ° C loss of efficiency are to be approached. The energy difference in the hydrolysis also enters into the use of heat or the energy balance.
  • Steam turbine (according to claim 11) are heated optimum flow temperature, which drives an electric generator for further generation of electrical energy, before the cycle cooling water after admixing with supplemented cooling water and optionally after further cooling and heat recovery - by heat exchanger (according to claim 11) back in the solar system pipes is returned - possibly separated with a split on the pipes with different solar potential (according to claim 12).
  • Due to the invention according to the temperature and charge flow controlled operation of the photovoltaic coating can also be Use multiple-gap semiconductor according to claim 13 advantageously with significantly higher efficiency, the overall efficiency of the system reaches well over 60% and the cooling water is largely recycled.
  • adjacent solar electrodes 3 and 4 which are formed as tubes 5 with a hollow tube average and are coated on their outer circulation each with one or more photovoltaic semiconductor layers 7 and 8 and that radially over each other.
  • the solar electrodes 3 and 4 for a solar cell device are arranged parallel to each other tangentially in electrical connection 20 either with their respective radially outer semiconductor layers 7 and 8 in the pipe coatings or by means of electrically conductive (adhesive, laser, welder) connecting means 20 with each other connected.
  • the tubes 5 of the solar electrodes 3 and 4 are made of an electrical material, ie thin metal or other electrically conductive material, such as both sides metal-coated plastic or glass tubes (also carbon fibers), highly conductive ceramic conductors, or Also highly conductive coated (platinum or platinum-like., good conductive material) and are flowed through by an example, aqueous coolant, which as such may also be electrically conductive.
  • an electrical material ie thin metal or other electrically conductive material, such as both sides metal-coated plastic or glass tubes (also carbon fibers), highly conductive ceramic conductors, or Also highly conductive coated (platinum or platinum-like., good conductive material) and are flowed through by an example, aqueous coolant, which as such may also be electrically conductive.
  • the tube electrodes mounted radially on the outside around the semiconductor layers 7 and 8 can either face in the same arrangement of the radial order or in each case with the p-layer on the tube side and then the n-layer or vice versa, so that in each case layers with the same polarity face one another ,
  • a clear transparent electrically conductive Gegehelektrode is provided, which is very thin in order to avoid Lichtverlüsten and therefore only indicated in the drawing.
  • the tubular solar electrodes can lie close to one another, so that the counterelectrodes result as a continuous structure-enhancing counterelectrode layer. It can be provided in this way but also a translucent distance between the tubes.
  • the side of the tubes 5 facing away from the direct solar radiation is also coated, inter alia, with the semiconductor layers 7 and 8, on the one hand for absorption, on the diffuse light, which has been amplified with mirror devices 21, and on the other hand for production by a radial treatment on all sides to simplify and above all to the full utilization of the inner surface for the hydrolysis.
  • the coating with the semiconductors can also be given only on the side facing the sun.
  • cooling water 9 flows through the tube 5 under a negative voltage and flows through the other tube 5 at a positive voltage potential and contacts the electrically conductive inner surfaces of the tubes respectively, hydrogen is formed in one tube and oxygen in the other tube. If the tubes are arranged inclined in at least slight upward direction as shown in FIG. 2, the gas bubbles automatically bubble in the upward direction.
  • Fig. 3 passes the cooling water according to partial view C in adjacent, separate tubes with the semiconductor layers 8 and 9 over the entire length of the partial views away (eg 2 to 7 m).
  • a simple solar voltage (Fig. 3b), which can also be connected according to Fig. 3 arbitrarily one behind the other in series to higher voltages, the respective separate gas in withdrawal disdaines 12 and 13 from Gas containers 19 can be deducted.
  • the sides of the tubes 5 can also be coated with a particularly hydrolysis-promoting coating, e.g. Platinum or a catalytically active material may also be provided as NANO coating.
  • Heater 14 by sun e.g. with a
  • Heat removal devices 16 for example, heat scrubber

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Abstract

Die Erfindung betrifft mehrere Vorrichtongen zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Umwandlung solarer Energie in elektrische Energie zugleich unter Hydrolyse von insbesondere Wasser als Kühlmittel für die Elektroden von photovoltaischen Solarzellen zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff wofür die Elektroden der Solarzellen verwendet werden, und zwar aus einer synergetischen Kombination von photovoltaischer und thermosolarer Energieumwandlung.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Konversion von Solarenergie in elektrische Energie.
Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung des Wirkungsgrades der Konversion der solaren Energie in photovoltaischen Zellen in Kombination mit der Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff mit technisch einfachen Mitteln.
Dem gemäß liegt die Erfindung in einer Vorrichtung nach Anspruch 1 in mehreren Ausführungsformen.
Die Erfindung liegt in einer ersten Ausfuhrungsform in einer Solarzellen-Einrichtung nach Ansprach 1 und einer weiteren Ausfuhrungsform nach A2 vor, wobei zwecks Herstellung unterschiedlicher Spannungspotentialen Ausführungsform eine Schaltung nach Anspruch 3 erfolgen kann.
Eine weitere Ausfülirungsform der Erfindung kann nach Anspruch 4 definiert sein, wobei zur Manipulation des erzielten Spannungspotentials nach Anspruch 5 vorgegangen werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann mit einer Vorrichtung nach Anspruch 6 liegen. Eine wesentliche Verbesserung der Erfindung ist mit den Ausführungsformen nach den Ansprüchen 7 und 8 gegeben. Da die Elektroden der Halbleiter unmittelbar gekühlt bzw. bei stärkster Sonneneinstrahlung auf einer gleichmäßigen Arbeitstemperatur gehalten werden, wird der photovoltaiscke Wüuflgsgwd bei erhöhte Temperatur durch die verstärkte Braun' sehe Bewegung und damit verstärkter Rekombination nicht mehr reduziert, wofür mind. 0,3 — 0,5%/10°C Wirkungsgradverlust in Ansatz zu bringen sind. Dabei geht auch die Energiedifferenz bei der Hydrolyse in die Wärmenutzung bzw. die Energiebilanz ein.
Nachdem die Hydrolysegase getrennt aus dem erhitzten Wasser Entnommen sind, kann das erwärmte Kühlwasser in einer nachfolgenden Parabolspiegel-Rinnenanlage gemäß Anspruch 9 weiter auf eine für eine Heiß wasserbzw. Dampfturbine (gem. Anspruch 11) optimale Vorlauftemperatur erhitzt werden, welche einen Elektrogenerator zur weiteren Erzeugung von elektrischer Energie antreibt, bevor das Kreislauf-Kühlwasser nach Zumischung ergänzten Kühlwassers und gegebenenfalls nach weiterer Abkühlung und Wärmenutzung — durch Wärmetauscher (gem. Anspruch 11) wieder in die Solaranlage-Rohre zurückgeführt wird - gegebenenfalls getrennt unter Aufteilung auf die Rohre mit unterschiedlichem Solarpotential (gem. Anspruch 12).
Aufgrund der Erfindung gemäß temperatur- und ladungsflußmäßiger kontrollierter Arbeitsweise der photovoltaischen Beschichtung lassen sich auch Mehrfachlücken-Halbleiter gemäß Anspruch 13 mit deutlich höherem Wirkungsgrad vorteilhaft einsetzen, wobei der Gesamtwirkungsgrad der Anlage auf weit über 60% erreicht und das Kühlwasser zum großen Teil im Kreislauf gefuhrt ist.
In der Figur 1 sind wie nebeneinander liegende Solarelektroden 3 und 4 dargestellt, welche als Rohre 5 mit einem hohlen Rohrdurchschnitt ausgebildet sind und auf ihrem äußeren Umlauf je mit eine oder mehreren photovoltaischen Halbleiterschichten 7 und 8 beschichtet sind und zwar radial übereinander.
Die Solarelektroden 3 und 4 für eine Solarzellen- Einrichtung sind parallel zueinander anliegend tangential in elektrischer Verbindung 20 entweder mit ihren jeweils radial äußeren Halbleiterschichten 7 und 8 bei den Rohrbeschichtungen angeordnet oder mittels elektrisch leitendem (Kleber-, Laser-, Schweißer-) Verbindungsmittel 20 miteinander verbunden.
Die Rohre 5 der Solarelektroden 3 und 4 bestehen aus einem elektrischem Material, also dünnem Metall oder anderem elektrisch leitenden Material, wie z.B. beidseits metallbeschichtetem Kunststoff oder Glasröhren (auch Kohlenstoff-Fasern), hochleitendem Keramik-Leitern, oder auch hochleitend beschichtetem(Platin oder platin -ähnlich. gut leitendem Material)und werden von einem z.B. wässrigen Kühlmittel durchflössen, welches als solches auch, elektrisch leitend sein kann. Die radial außen um die Halbleiterschichten 7 und 8 angebrachten Rohrelektroden können entweder in gleicher Anordnung der radialen Reihenfolge oder jeweils mit der p-Schicht auf der Rohraüßenseite und dann der n-Schicht bzw. Umgekehrt , so dass jeweils Schichten, mit gleicher Polarität einander zugewandt sind. Auf der jeweils äußeren Schicht ist eine klar transparente elektrisch leitende Gegehelektrode vorgesehen, die zwecks Vermeidung von Lichtverlüsten sehr dünn ist und daher in der Zeichnung nur angedeutet.
Die rohrförmigen Solarelektroden können dicht nebeneinander liegen, so dass sich die Gegenelektroden als eine durchgehende strukturverstärkende Gegenelektroden- schicht ergibt. Es kann auf diese Weise aber auch ein lichtdurchlässiger Abstand zwischen den Rohren vorgesehen sein.
Wenn aber die Halbleiterbeschichtungen zweier nebeneinander angeordneter Rohre in alternierender Reihenfolge auf den Rohren 5 angeordnet sind, also von innen nach außen Rohr (a) n-Schicht / p-Schicht, Rohr (b) n-Schicht / p-Schicht, dann wird keine äußere Gegenelektrode benötigt, sondern das jeweils andere Rohr 5 jedes Rohrpaars bildet die jeweilige Gegenelektrode (sog. Twin-Solarzelle). Dabei werden zwar jeweils zwei Rohere für eine vollständige Solarzelle benötigt, jedoch bei doppelter Solarspannung. Wenn man jeweils mehr als zwei p/n- Beschichtungen auf jedem Rohr 5 in dieser alternierenden. Reihenfolge vorsieht, dann werden bei zwei vierfach beschichteten Rohren 4 x 0,6V - 2,4V erreicht, bei 3- facher Beschichtung 3 x 0,6V, also der Dissziations- bxw, Hydrolyse-Spannung von Wasser.
Auch die der direkten Sonnen-Einstrahlung abgewandte Seite der Rohre 5 ist unter anderem auch mit den Halbleiterschichtern 7 und 8 beschichtet, und zwar einerseits zur Absorzion auch, des diffusen , gegebenefalls mit Spiegeleimichtungen 21 verstärkten Lichts und andererseits um die Herstellung durch eine rundum radiale Behandlung zu vereinfachen sowie vor allem zur vollen Ausnutzung der Innenoberfläche für die Hydrolyse. Die Beschichtung mit den Halbleitern kann aber auch nur auf die der Sonne zugewandten Seite gegeben sein.
Da in dieser Ausführungsform Kühlwasser 9 durch das Rohr 5 unter negativer Spannung fließt und durch das andere Rohr 5 im positivem Spannungspotential fließt und jeweils mit den elektrisch leitenden Innenflächen der Rohre in Kontakt steht bildet sich in dem einen Rohr Wasserstoff und in dem anderen Rohr Sauerstoff. Wenn die Rohre gemäß Fig. 2 in mindestens leichter Aufwärts- richtung geneigt angeordnet sind, perlen die Gasblasen automatisch in Aufwärtsrichtung. In einer Anlage gem. Fig. 3 gelangt das Kühlwasser gemäß Teilansicht C in nebeneinander liegenden, voneinander getrennten Röhren mit den Halbleiterschichten 8 und 9 und zwar über die Gesamtlänge der Teilansichten hinweg (z.B. 2 bis 7 m).
Bei Abnahme .der Spannung gemäß Abschnitt U entsteht eine einfache Solarspannung (Fig. 3b), die auch, gemäß Fig. 3 beliebig hintereinander in Serie zu höheren Spannungen geschaltet werden kann, wobei das jeweils getrennte Gas in Entnahme- Verachtungen 12 bzw. 13 aus Gasbehältern 19 abgezogen werden kann. Die Iennenseiten der Rohre 5 können auch mit einem besonders hydrolysefördernder Beschichtung z.B. Platin bzw. einem katalytisch wirkendem Material auch als NANO-Beschichtung versehen sein.
Bei paarweise aneinander in elektrischer Verbindung mit 11/20 jeweils umgekehrter Reihenfolge der Beschichtungen bedarf es keiner Gegenelektrode 10 und es kann eine mehrfach höhere Solarsparinung mit nur 2 Röhren und entsprechend höherer Gasproduktion erreicht werden. Die Innenwände der Rohre können mit einem Gasblasen verstärkt ausbildendem. Profil gestaltet sein, In abgewandelter Ausführung wird im Inneren jedes Rohr 4/5 eine hydrolysefördernde Elektrode (z.B. Draht, Beschicht- ungsspirale) vorgesehen sein, die die Hydrolyse bei nur geringer Spannung ermöglicht Nach der Entgasung kann die auf höhere Vorwärm- temperatur erwärmte Kühlflüssigkeit durch eine externe
Heizvorrichtung 14, durch Sonne z.B. mit.einer
Parabolspiegel-Rinnenvorrichtung zu Dampf erhitzt und einer Turbine 15 mit einem Elektrogenesrator 15 erneut zur
Elektrizitätsherstellung herangezogen werden.
Dabei werden auch erste Restgase an H2 und O2 wieder explosionssicher zusammengeführt
Die Restwärme von der Turbine wird schließlich mit
Wärmeentnahmegeräten 16 (z.B. Wärmetaüscher) verwertet
Bei einer letzten, nicht dargestellten Ausführungsform. kann der mit den Halbleiterschichten 7 und 8 versehene Abschnitt des Kühlwasserkreislaufs 9 am Anfang und am Ende mit nicht gesondert dargestellten isolierenden Rohrabschnitten oder auch andere Bereiche der Gesamtanlage außerhalb dieses Bereichs aus isolierendem Material z.B, Kunststoff bestehen und die Solarspannung und Hydrolyse auf diesem Bereich begrenzt bleiben.
Nach der Wärmeentnahme-vorrichtung 16 wird schließlich das durch die Hydrolyse verbrauchte Wasser durch Frischwasser 17 ersetzt und insgesamt auf die photovoltaischen Rohre 5 verteilt, womit der Kreislauf wieder geschlossen ist Bezugszeichenliste
1 Solarzellen 3/4 Solardektrode
5 Roliie
6 Rohrquerschnitt
7 Halbleiterschicht mit p-Ladungspotenzial 8 Halbleiterschicht mit n-Ladungspotenzial 9 wässriges Kühlmittel
10 transparente Gegenelektrode
11 Tangentialkontakt
12 Entnahmevorrichtung O2
13 Entnahmevorrichtung E2
14 Nacherhitzer von
15 Turbine mit Generator
16 Wärmeentnahmegeräte
17 Frischwasseraufluss
18 Verteilung auf die photovoltaischen Röhren und Neuanfang des Kühlkreislaufs
19 Gasbehälter
20 elektrisch leitende Verbindung
21 Spiegelnde bzw. lichtreflektierende Bereiche der Aufstellkonstruktion

Claims

Schutzansprüche
1. Photovoltaische Solarzellen-Einrichtung zur Erhöhung es Wirkungsgrades bei der Umwandlung solarer Energie in elektrische Energie mit hohlen, elektrisch leitfähigen Elektroden (5), welche auf ihrem äußeren Umfang mit mindestens einer photovoltaisch wirksamen Halbleiterschicht (7;8) versehen sind und parallel nebeneinander tangential in elektrisch leitender Verbindung (11, 20) stehen, wobei die aneinander angeordneten Halbleiterschichten jeweils entgegengesetzte photovoltaische Ladungspotentiale (7;8) aufweisen und sich in den robrförmigen Elektroden ein fließendes Kühlmittel (9) insbesondere Wasser befindet.
2. Solarzellen-Einrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine hydrolysefahige, vorzugsweise wässrige Flüssigkeit (9) in den rohrfδrmigen Elektroden (5), welche auf ihrer Außenseite mit Halbleitern mit jeweils unterschiedlicher Polarität (7;8) beschichtet sind und mindestens im Bereich der photovoltaischen Beschichtung getrennte Kreisläufe bilden und jeweils zwischen den Polen mindestens 2er einander paarweise zusammengehöriger Elektroden eine Hydrolysevorrichtung besitzt sowie eine Vorrichtung zur getrennten Entnahme der Hydrolysegase (12,13) Wasserstoff und Sauerstoff aus den getrennten Kreisläufen aufweist.
3. Solarzellen-Einrichtung nach Al und A2 dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der photovoltaischen Beschichtung zu mehreren einander paarweise zugehörigen Elektroden in Serie miteinander geschaltet sind (z.B. Fig. 2).
4. Solarzellen-Einrichtung insbesondere nach Anspruch 1, bei der die rohrförmigen Elektroden (5) unabhängig voneinander mit einer Halbleiterbeschichtung gleicher Polarität beschichtet sind und als Gegenelektrode mit einer transparenten elektrisch leitenden Deckschicht (z.B. SnO2) (10) versehen sind.
5. Solarzellen-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dgd. die einzelnen Elektroden parallel oder in Serie, vorzugsweise jedoch jeweils mind. Zwei zur Bildung einer erhöhten Hydrolysespannung in Serie geschaltet sind (Fig. 1).
6. Solarzellen-Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6 dgd., dass die Rohre jeweils zu Anfang und am Ende einer photovoltaischen Beschichtung mit einem von der übrigen Einrichtung elektrisch isolierenden Rohrabschnitt versehen sind und dass der auf diese Weise isolierte Bereich jeweils auf eine Vorrichtung zur Hydrolyse des Kühlwassers zu Wasserstoff und Sauerstoff geschaltet ist und eine Vorrichtung (12; 13; 19) zur voneinander getrennten Entnahme der Hydrolysegase Wasserstoff und Sauerstoff aus dem jeweiligen zugehörigen rohrförmigen Elektrodenbereich aufweist.
7. Solarzellen-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dgd. die rohrförmigen Elektroden (5) aus Kunststoff- oder Glasröhren oder dergleichen mit innen und außen angebrachten metallischen Beschichtungen bestehen, welche in elektrischer Verbindung miteinander stehen.
8. Solarzellen-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf ihrer Außenseite halbleiterbeschichteten Rohre (5), welche eine innerhalb des elektrisch nichtleitendem Rohrs elektrisch leitende Elektrode aufweisen, die mit der auf dem Rohr befindlichen Halbleiterbeschichtungen in elektrisch leitender Verbindung steht.
9. Solarzellen-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dgd. nach der Entnahme- Vorrichtung für die Hydrolysegase eine Nacherhitzer-Einrichtung (14) für die Kühlflüssigkeit, beispielsweise eine mit Solarwärme arbeitende Parabolspiegel-Rinnen- Einrichtung vorgesehen ist.
10. Solarzellen-Einrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass nach der Nacherhitzungs- Einrichtung (14) eine auf einem Elektrogenerator (15) arbeitende Dampfturbine (15) vorgesehen ist.
11. Solarzellen-Einrichtung n. e. v. A. gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauscher bzw. eine Wärmeabnehmende Vorrichtung (10) nach der Dampfturbine (15) angeordnet ist.
12. Solarzellen-Einrichtung nach Anspruch 11, nach der Wärmeabnehmenden Vorrichtung (16) eine Kühlwasseraufleilung (18) als Rückführung in die rohrförmigen Elektroden (5) zum Abschluss des Kühlwasserkreislaufs angeordnet ist.
13. Verwendung von Mehrfach-Lücken- Halbleitermaterials als photovoltaische Beschichtung aufweist, beispielsweise aus H-V Oxid
Mehrfachlücken-Halbleiter aus Zn1-Y, Mny, Te1-X für die vorgenannte Solarzellen-Einrichtung
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