DE19837189C1 - Solar energy conversion device for providing heat and electrical energy - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Umwandlungseinrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie mit einer Kombination aus einer Wärmespeichervorrichtung, die mindestens ein eine Wärmetransportflüssigkeit führendes Rohr aufweist, aus einer spektral selektiven, einen Hohlspiegel aufweisenden, sich längs er streckenden Lenkvorrichtung für die solare Strahlung und aus einer photovol taischen Anordnung, die eine streifenförmige Anordnung von Solarzellen auf weist und entsprechend ihrer spektralen Empfindlichkeitscharakteristik selektiv mit der solaren Strahlung beaufschlagt wird.The invention relates to a conversion device for the use of Solar energy using a combination of a heat storage device that has at least one pipe carrying a heat transfer liquid a spectrally selective, having a concave mirror, along it stretching steering device for solar radiation and from a photovol taischen arrangement, which is a strip-shaped arrangement of solar cells points and selectively according to their spectral sensitivity characteristics is exposed to the solar radiation.
Eine Umwandlungseinrichtung dieser Art ist aus der US 4 700 013 be kannt. Bei dieser bekannten Umwandlungseinrichtung wird solare Strahlung zunächst mittels eines lichtsammelnden Elements, wie z. B. eines hohlen Parabolspiegels konzentriert und anschließend mittels eines spektral selektiven Planspiegels teils auf ein Rohr mit einer wärmeabsorbierenden Flüs sigkeit und teils auf eine Anordnung von Solarzellen gerichtet, wobei die auf die Solarzellen gerichtete Strahlung auf die Empfindlichkeitscharakteristik der Solar zellen abgestimmt ist. Die Anordnung aus Solarzellen wird über ein eine andere Flüssigkeit führendes weiteres Rohr gekühlt. Eine derartige Anordnung ist hin sichtlich des Aufbaus und der Montage relativ aufwendig.A conversion device of this type is known from US 4,700,013 knows. In this known conversion device is solar Radiation first by means of a light-collecting element, such as. B. one hollow parabolic mirror concentrated and then using a spectral selective plane mirror partly on a tube with a heat absorbing river liquid and partly directed to an arrangement of solar cells, which on the Radiation directed at the sensitivity characteristics of solar cells cells is matched. The arrangement of solar cells is over another Liquid-carrying further pipe cooled. Such an arrangement is broken obviously the construction and assembly relatively expensive.
Eine weitere Umwandlungseinrichtung für Sonnenenergie, bei der ein Anteil zur Erzeugung von Strom und ein anderer Teil zur Umwandlung in transportable Wärme genutzt wird, ist in der EP 0 019 016 A2 angegeben. Bei dieser Um wandlungseinrichtung sind im Strahlengang hintereinander ein die Strahlung konzentrierender Hohlspiegel, ein selektiver optischer Filter und diesem nachfolgend einerseits eine Anordnung von kühlbaren Solarzellen und ande rerseits eine Wärmespeichervorrichtung mit einer absorbierenden Flüssigkeit angeordnet. Auch diese Umwandlungseinrichtung ist vom Aufbau her relativ aufwendig.Another conversion device for solar energy, in which a portion to Generation of electricity and another part for conversion into transportable Heat is used is specified in EP 0 019 016 A2. At this order Conversion devices are one behind the other in the beam path the radiation Concentrating concave mirror, a selective optical filter and this subsequently on the one hand an arrangement of coolable solar cells and others on the other hand, a heat storage device with an absorbent liquid arranged. The structure of this conversion device is also relative complex.
Eine weitere Umwandlungseinrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie unter Wandlung der solaren Strahlung in elektrischen Strom und thermische Energie ist aus der DE 41 08 503 C2 bekannt. Zur spektralen Aufspaltung sind spektral selektive Spiegel oder stattdessen ein holografisches Element be schrieben, wobei dessen Ausbildung aber nicht näher erläutert ist. Auch ein zy lindrischer Parabolspiegel zum Konzentrieren der Strahlung auf ein langes Rohr ist angegeben, das mit einer Anordnung aus Tandemsolarzellen belegt ist.Another conversion facility for using solar energy below Conversion of solar radiation into electrical current and thermal energy is known from DE 41 08 503 C2. For spectral splitting are spectrally selective mirror or instead a holographic element wrote, but its training is not explained in detail. Also a zy Lind parabolic mirror to concentrate the radiation on a long tube is specified, which is occupied by an arrangement of tandem solar cells.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umwandlungseinrichtung der eingangs angegebenen Art bereitzustellen, mit der bei möglichst kompaktem Aufbau die solare Strahlung zur Umwandlung in transportable Wärme und in elektrischen Strom möglichst gut nutzbar ist.The invention has for its object a conversion device Provide the type specified at the beginning with the most compact possible Construction of solar radiation for conversion into portable heat and in electric current can be used as well as possible.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass die Anordnung der Solarzellen auf der die solare Strahlung aufnehmenden Innenseite des Hohlspiegels aufgebracht ist und diese im Quer schnitt nur teilweise überdeckt, dass ein erster Rohrabschnitt auf der Außen seite der wärmeleitfähigen Wandung des Hohlspiegels flüssigkeitsführend ver bunden ist, wobei der Rohrabschnitt in Längsrichtung entlang des Hohlspiegels verläuft und im Querschnitt zumindest über die Breite der Anordnung der So larzellen mit der Wandung des Hohlspiegels in Berührung steht, und dass vor der Innenseite des Hohlspiegels von dieser beabstandet und in Längsrichtung zu diesem ausgerichtet ein weiterer Rohrabschnitt angeordnet ist, der mit dem ersten Rohrabschnitt flüssigkeitsführend verbunden ist. Durch die Anordnung der Solarzellen auf der Innenseite des die solare Strahlung konzentrierenden Hohlspiegels und die Kühlung von der Rückseite des Hohlspiegels wird einer seits vermieden, dass eine zu starke Lichtbündelung auf den Solarzellen erfolgt, die zu deren Zerstörung durch Überhitzung führen könnte, wobei gleichzeitig eine gute Kühlung durch den auf der Außenseite des Hohlspiegels breitflächig angeordneten Rohrabschnitt gewährleistet ist. Andererseits steht die Innen seite des Hohlspiegels großflächig zur Verfügung, um die Wärmetransportflüs sigkeit in dem vor der Innenseite des Hohlspiegels angeordneten weiteren Rohr abschnitt zu erwärmen, wobei die konzentrierte Strahlung nicht zur Überhitzung der Solarzellen und eventuellen Zerstörung führen kann. Die Betriebstemperatur der Solarzellen kann in einem optimalen Bereich gehalten werden. Der Hohlspie gel wird mechanisch gleichzeitig als Träger für die Solarzellen und einen Rohr abschnitt der die Wärmetransportflüssigkeit führenden Rohrleitung ausgenutzt. This object is achieved with the features of claim 1. After that is provided that the arrangement of the solar cells on top of the solar radiation receiving inside of the concave mirror is applied and this in the transverse cut only partially covered that a first pipe section on the outside side of the heat-conductive wall of the concave mirror ver is bound, the pipe section in the longitudinal direction along the concave mirror runs and in cross section at least across the width of the arrangement of the So lar cells is in contact with the wall of the concave mirror, and that before spaced from the inside of the concave mirror and in the longitudinal direction this aligned another pipe section is arranged with the the first pipe section is connected to carry liquid. By the arrangement of the solar cells on the inside of the solar radiation concentrating Concave mirror and cooling from the back of the concave mirror becomes one on the one hand avoided that the light cells on the solar cells were too strongly concentrated, which could lead to their destruction by overheating, at the same time good cooling through the wide area on the outside of the concave mirror arranged pipe section is guaranteed. On the other hand, there is the inside side of the concave mirror is available to the heat transfer rivers liquid in the further tube arranged in front of the inside of the concave mirror section to heat, taking the concentrated radiation not to overheat of solar cells and possible destruction. The operating temperature the solar cells can be kept in an optimal range. The hollow spit Gel is mechanically used as a support for the solar cells and a tube section of the pipeline carrying the heat transfer fluid is used.
Ist vorgesehen, daß die der Innenseite des Hohlspiegels zugewandte Seite des weiteren Rohrabschnitts ein Element der Lenkvorrichtung bildet, kann außer eines direkten Strahlungsanteils für die Erzeugung des elektrischen Stroms auch ein von dem Rohrabschnitt auf die Solarzellen gelenkter Strahlanteil genutzt werden. Dabei sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft, dass die dem Hohl spiegel zugewandte Seite des weiteren Rohrabschnitts für die auffallende solare Strahlung spektral selektiv und/oder ablenkend in der Weise ausgebildet ist, dass sie im wesentlichen nur Strahlung entsprechend der spektralen Empfind lichkeitscharakteristik der im Strahlengang nachgeordneten Solarzellen auf diese lenkt. Mit diesen Maßnahmen wird nur der für die Erzeugung des elektrischen Stroms maßgebende Strahlanteil auf die Solarzellen gelenkt, während der übrige Anteil der solaren Strahlung für die Umwandlung in Wärmeenergie zur Verfü gung steht. Einer übermäßigen Erwärmung der Solarzellen wird weiterhin da durch vorgebeugt, dass die Anordnung der Solarzellen auf der Strahlungs einfallsseite mit einer Wärmestrahlung von den Solarzellen abhaltenden Schicht überzogen ist. Der auf die Schicht auftreffende, nicht für die Stromerzeugung ausgenutzte Strahlungsanteil wird von der Oberfläche der Schicht wiederum zu rück auf den weiteren Rohrabschnitt vor der Innenseite des Hohlspiegels ge lenkt, so daß dieser Strahlungsanteil zur weiteren Wärmegewinnung zur Ver fügung steht. Für die Wärmegewinnung einerseits und die Stromerzeugung an dererseits sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft, dass der erste Rohrab schnitt bezüglich des weiteren Rohrabschnitts auf der kühleren Seite eines Strömungskreislaufes angeordnet ist.It is provided that the side facing the inside of the concave mirror another pipe section forms an element of the steering device, can a direct radiation component for the generation of the electrical current a beam portion directed from the pipe section onto the solar cells is used become. The measures that the hollow are also advantageous Mirror-facing side of the further pipe section for the striking solar Radiation is spectrally selective and / or deflecting in such a way that they essentially only have radiation corresponding to the spectral sensitivity characteristic of the solar cells downstream in the beam path on them directs. With these measures, only that for the generation of the electrical Stroms decisive beam portion directed to the solar cells, while the rest Share of solar radiation available for conversion into thermal energy is available. Excessive heating of the solar cells is still there by preventing the arrangement of the solar cells on the radiation incidence side with heat radiation from the solar cell-preventing layer is covered. The one striking the shift, not for power generation utilized radiation portion is in turn from the surface of the layer back to the further pipe section in front of the inside of the concave mirror steers, so that this radiation component for further heat generation for ver is standing. For heat generation on the one hand and power generation on on the other hand, the measures are further advantageous that the first pipe cut with respect to the further pipe section on the cooler side of one Flow circuit is arranged.
Ein günstiger Aufbau zur Abspaltung des Strahlungsanteils für die Stromerzeu gung besteht darin, daß die dem Hohlspiegel zugewandte Seite des weiteren Rohrabschnitts eine reflektierende beugende Struktur trägt, die in einem der Em pfindichkeitscharakteristik der Solarzellen entsprechenden Spektralbereich hin sichtlich ihres Beugungswirkungsgrades optimiert und hinsichtlich des Beu gungswinkels für diesen Spektralbereich auf die Positionierung der Anordnung der Solarzellen abgestimmt ist.A favorable structure for splitting off the radiation component for the electricity generators supply is that the side facing the concave mirror further Pipe section carries a reflective diffractive structure, which in one of the Em Sensitivity characteristics of the solar cells corresponding spectral range visually optimized their diffraction efficiency and regarding the Beu angle for this spectral range on the positioning of the arrangement the solar cells is tuned.
Um die Wärmestrahlung möglichst gut zur Umwandlung in transportable Wär meenergie zu nutzen, ist es vorteilhaft, dass der weitere Rohrabschnitt im Be reich der Fokussierlinie des Hohlspiegels angeordnet ist.To make the heat radiation as good as possible for conversion into portable heat To use meenergy, it is advantageous that the further pipe section in the Be is richly arranged the focus line of the concave mirror.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be zugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below using an exemplary embodiment under Be access to the drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Umwandlungseinrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie in perspektivischer Ansicht, teilweise geschnitten und Fig. 1 is a conversion device for using solar energy in a perspective view, partially cut and
Fig. 2 einen Ausschnitt der Umwandlungseinrichtung nach Fig. 1 in pers pektivischer Ansicht, teilweise geschnitten. Fig. 2 shows a detail of the conversion device of FIG. 1 in a perspective view, partially cut.
Die in Fig. 1 gezeigte Umwandlungseinrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie weist einen regenrinnenartigen Sammelspiegel 1 auf, der im Querschnitt kreis förmig, elliptisch oder parabolförmig ausgebildet sein kann. Die Innenseite des Sammelspiegels 1 dient als reflektierende Fläche und ist entsprechend spiegelnd ausgebildet. Auf der Innenseite des Sammelspiegels 1 ist eine streifenförmige Anordnung von Solarzellen 4 aufgebracht, die sich auf einem fle xiblen Trägermaterial befinden und in engem wärmeleitendem Kontakt auf der Innenseite des Sammelspiegels 1 aufgebracht sind. Hierzu eignet sich ein gut wärmeleitender Kleber oder eine andere mechanische Halteein richtung. Auf der Außenseite des Sammelspiegels 1 ist ein erster Rohrabschnitt 2' ebenfalls in, engem wärmeleitfähigem Kontakt zur Wandung des Sammelspiegels 1 aufgebracht, der ebenfalls flächig zumindest über die Breite und Länge der Anordnung der Solarzellen 4 und der Außenseite des Hohlspiegels in Form des Sammelspiegels 1 verbunden ist.The conversion device shown in Fig. 1 for the use of solar energy has a gutter-like collecting mirror 1 , which can be circular in cross-section, elliptical or parabolic. The inside of the collecting mirror 1 serves as a reflecting surface and is correspondingly designed to be reflective. On the inside of the collecting mirror 1 , a strip-shaped arrangement of solar cells 4 is applied, which are located on a flexible substrate and are applied in close heat-conducting contact on the inside of the collecting mirror 1 . A good heat-conducting adhesive or another mechanical holding device is suitable for this. On the outside of the collecting mirror 1 , a first tube section 2 'is also applied in close, thermally conductive contact to the wall of the collecting mirror 1 , which is also connected at least over the width and length of the arrangement of the solar cells 4 and the outside of the concave mirror in the form of the collecting mirror 1 is.
Vor der Innenseite des Hohlspiegels 1 ist von dieser beabstandet ein weiterer Rohrabschnitt 2" ebenfalls in Längsrichtung des Hohlspiegels 1 und im wesent lichen in dessen Brennlinie verlaufend angeordnet. Der erste Rohrabschnitt 2' und der zweite Rohrabschnitt 2" stehen über ein nicht gezeigtes Leitungssystem miteinander flüssigkeitsführend in Verbindung und enthalten eine Wärmetrans portflüssigkeit 2.1. Auf der der Innenseite des Hohlspiegels 1 zugekehrten Seite ist der weitere Rohrabschnitt 2" mit einer lichtablenkenden Schicht 3, um Bei spiel einem spektralselektiven Spiegel oder einer beugenden Struktur überzogen, die in einem spektralen Bereich ihren optimalen Beugungswirkungsgrad besitzt, indem auch die Empfindichkeitscharakteristik der Solarzellen 4 liegt. Auf diese Weise wird im wesentlichen nur der für die Stromgewinnung nutzbare Anteil der solaren Strahlung auf die Solarzellen gerichtet, während der übrige Anteil der solaren Strahlung für die Wärmegewinnung im Bereich des weiteren Rohrab schnitts 2" zur Verfügung steht. Das Ablenkelement 3 kann eine Struktur in der Oberfläche des weiteren Rohrabschnitts 2" selbst oder aber eine aufgebrachte Schicht sein.In front of the inside of the concave mirror 1 , a further pipe section 2 "is also spaced apart from it and also runs in the longitudinal direction of the concave mirror 1 and essentially in its focal line. The first pipe section 2 'and the second pipe section 2 " are in fluid communication with one another via a pipe system, not shown in connection and contain a heat transfer fluid 2.1 . On the inside facing the concave mirror 1 , the further tube section 2 "is coated with a light-deflecting layer 3 , for example a spectrally selective mirror or a diffractive structure, which has its optimal diffraction efficiency in a spectral range, by the sensitivity characteristic of the solar cells 4 In this way, essentially only the portion of the solar radiation that can be used for the generation of electricity is directed onto the solar cells, while the remaining portion of the solar radiation is available for the generation of heat in the region of the further pipe section 2 ". The deflecting element 3 can be a structure in the surface of the further pipe section 2 ″ itself or else an applied layer.
Die Anordnung der Solarzellen 4 kann, wie Fig. 2 zeigt, auf ihrer der einfallen den solaren Strahlung 5 zugewandten Seite mit einem Wärmeabschirmelement 6 überzogen sein, mit dem Wärmestrahlung von den Solarzellen 4 abgehalten und nur nutzbare Anteile der solaren Strahlung 5 durchgelassen werden. Von dem Wärmeabschirmelement 6 kann die nicht genutzte Strahlung auf den wei teren Rohrabschnitt 2" zurückgelenkt werden, so daß dieser Strahlanteil zu sätzlich zur Wärmegewinnung ausgenutzt werden kann.The arrangement of the solar cells 4 , as shown in FIG. 2, can be covered on its side facing the incident solar radiation 5 with a heat shielding element 6 , with which heat radiation can be prevented from the solar cells 4 and only usable portions of the solar radiation 5 can be let through. From the heat shielding element 6 , the unused radiation can be deflected back onto the pipe portion 2 ″, so that this portion of the beam can also be used to obtain heat.
Der erste Rohrabschnitt 2' auf der Außenseite des Hohlspiegels 1 ist günstiger weise an einen Zweig des die Wärmetransportflüssigkeit 2.1 leitenden Rohres angeschlossen, der eine niedrigere Temperatur besitzt als die in dem weiteren Rohrabschnitt 2" geführte Wärmetransportflüssigkeit 2.1, so daß die Solarzellen 4 nicht überhitzt und in einem für die Energieausbeute optimalen Temperatur bereich betrieben werden, während andererseits die Temperatur in dem weite ren Rohrabschnitt 2" auf einem für die Wärmeausnutzung geeigneten höheren Niveau gehalten werden kann.The first pipe section 2 'on the outside of the concave mirror 1 is more conveniently connected to a branch of the pipe which conducts the heat transport liquid 2.1 and which has a lower temperature than the heat transport liquid 2.1 guided in the further pipe section 2 ", so that the solar cells 4 do not overheat and be operated in an optimal temperature range for the energy yield, while on the other hand the temperature in the wide ren pipe section 2 "can be kept at a higher level suitable for heat utilization.
Je nach Sonnenstand und Ausrichtung der Umwandlungseinrichtung kann der Sammelspiegel 1 tiefer oder flacher und auch kleinflächiger oder großflächiger ausgebildet werden. Entsprechend können auch die streifenförmige Anordnung der Solarzellen 4 und die Anordnung und Ausbildung der Rohrabschnitte 2' und 2" geeignet gewählt werden. Die beschriebenen Umwandlungseinrichtungen können in beliebiger Anzahl aneinander gereiht werden, wobei sie mit seitlichen Flanschen und Nieten oder Schrauben aneinander befestigt werden können. Ins gesamt ergibt der beschriebene Aufbau eine kompakte Einheit.Depending on the position of the sun and the orientation of the conversion device, the collecting mirror 1 can be made deeper or flatter and also smaller or larger. Correspondingly, the strip-shaped arrangement of the solar cells 4 and the arrangement and design of the tube sections 2 'and 2 "can also be suitably chosen. The described conversion devices can be arranged in any number, whereby they can be attached to one another with side flanges and rivets or screws. Overall, the structure described results in a compact unit.
Claims (7)
dass die Anordnung der Solarzellen (4) auf der die solare Strahlung auf nehmenden Innenseite des Hohlspiegels (1) aufgebracht ist und diese im Querschnitt nur teilweise überdeckt,
dass ein erster Rohrabschnitt (2') auf der Außenseite der wärmeleit fähigen Wandung des Hohlspiegels (1) flüssigkeitsführend verbunden ist, wobei der Rohrabschnitt (2') in Längsrichtung entlang des Hohlspiegels (1) verläuft und im Querschnitt zumindest über die Breite der Anordnung der Solarzellen (4) mit der Wandung des Hohlspiegels (1) in Berührung steht, und
dass vor der Innenseite des Hohlspiegels (1) von dieser beabstandet und in Längsrichtung zu diesem ausgerichtet ein weiterer Rohrabschnitt (2") angeordnet ist, der mit dem ersten Rohrabschnitt (2') flüssigkeitsführend verbunden ist. 1. Conversion device for using solar energy with a combination of a heat storage device, which has at least one heat transfer liquid ( 2.1 ) leading pipe, from a spectrally selective, a concave mirror ( 1 ) having, extending he steering device for the solar radiation ( 5 ) and from a photovoltaic arrangement which has a strip-shaped arrangement of solar cells ( 4 ) and is selectively subjected to the solar radiation in accordance with its spectral sensitivity characteristic , characterized in that
that the arrangement of the solar cells ( 4 ) on which the solar radiation on the inside of the concave mirror ( 1 ) is applied and which only partially covers them in cross section,
that a first pipe section ( 2 ') on the outside of the heat-conductive wall of the concave mirror ( 1 ) is connected in a liquid-carrying manner, the pipe section ( 2 ') running in the longitudinal direction along the concave mirror ( 1 ) and in cross section at least across the width of the arrangement of the Solar cells ( 4 ) with the wall of the concave mirror ( 1 ) is in contact, and
that a further pipe section ( 2 ") is arranged in front of the inside of the concave mirror ( 1 ) and aligned in the longitudinal direction thereof, which is connected to the first pipe section ( 2 ') in a liquid-carrying manner.
dass die dem Hohlspiegel (1) zugewandte Seite des weiteren Rohrab schnitts (2") für die auffallende solare Strahlung (5) spektral selektiv und/oder ablenkend in der Weise ausgebildet ist,
dass sie im wesentlichen nur Strahlung entsprechend der spektralen Emp findlichkeitscharakteristik der im Strahlengang nachgeordneten Solar zellen (4) auf diese lenkt.3. Conversion device according to claim 2, characterized in
that the side of the further tube section ( 2 ") facing the concave mirror ( 1 ) for the incident solar radiation ( 5 ) is designed to be spectrally selective and / or deflecting in such a way that
that it essentially directs only radiation corresponding to the spectral sensitivity characteristic of the solar cells arranged downstream in the beam path ( 4 ).
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| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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