DE102008048965B4 - solar field - Google Patents

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DE102008048965B4 DE200810048965 DE102008048965A DE102008048965B4 DE 102008048965 B4 DE102008048965 B4 DE 102008048965B4 DE 200810048965 DE200810048965 DE 200810048965 DE 102008048965 A DE102008048965 A DE 102008048965A DE 102008048965 B4 DE102008048965 B4 DE 102008048965B4
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    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Abstract

Solarfeld mit einer Mehrzahl Solarmodule zur Generierung elektrischer Energie aus einfallendem Sonnenlicht, die nebeneinander liegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Solarmodul einen Mikroturbinengenerator (2), der ihm zugeführte Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt, einen Sonnenkollektor (3), der eine im wesentlichen hexagonale Form aufweist und mit dem Mikroturbinengenerator (2) derart gekoppelt ist, um ihm Wärmeenergie in der Form von gebündeltem Licht zuzuführen, und eine dem Mikroturbinengenerator (2) zugeordnete Kühlvorrichtung (60), die thermisch leitend mit einem Kondensator (26) des Mikroturbinengenerators (2) verbunden ist, ein Wärmeabstrahlblech (64) umfasst, das kuppelförmig von dem Mikroturbinengenerator (2) abragt, und an der dem Sonnenkollektor (3) gegenüberliegenden Seite des Mikroturbinenengenerators (2) vorgesehen ist, aufweist, wobei die Sonnenkollektoren (3) wabenartig angeordnet sind.Solar field with a plurality of solar modules for generating electrical energy from incident sunlight, which are arranged side by side, characterized in that each solar module a micro-turbine generator (2), which converts heat energy supplied to it into electrical energy, a solar collector (3) having a substantially has a hexagonal shape and is coupled to the micro-turbine generator (2) for supplying heat energy in the form of collimated light and a cooling device (60) associated with the micro-turbine generator (2) that is thermally conductive with a condenser (26) of the micro-turbine generator (26). 2), comprising a heat radiating plate (64) dome-shaped protruding from the micro-turbine generator (2) and provided on the opposite side of the microturbine generator (2) from the solar collector (3), the solar collectors (3) being honeycombed are.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarfeld nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The The present invention relates to a solar field according to the preamble of claim 1.

Die Nutzung von Solarenergie gewinnt immer stärkere Bedeutung. Dies gilt insbesondere in Bereichen, in denen andere Energiequellen nicht zur Verfügung stehen, wie beispielsweise dem Weltraum. Dort kann als einzige regenerative Energiequelle das Sonnenlicht genutzt werden, um die zum Betreiben elektrischer Anlagen und Raumfahrzeuge erforderliche Energie zu erzeugen. Üblicherweise arbeiten Solaranlagen mit Solarzellen. Diese sind jedoch mit dem Problem behaftet, dass die Herstellung teuer und aufwendig ist und zudem mit der benötigten Leistung auch die erforderliche Fläche der Solarzellen und somit auch die Kosten linear ansteigen. Schließlich steht die Gesamtenergiebilanz bei der Herstellung von Solarzellen in einem vergleichsweise schlechten Verhältnis zur Energiegewinnung während des Betriebs. Beim Einsatz von Solarzellen ist ferner zu beachten, dass ein Anstieg der Oberflächen temperatur zu einem Leistungsabfall führt und des weiteren die Gefahr besteht, dass bei einer partiellen Abschattung der Solarzellen eine Zellenüberladung stattfindet (Hotspot Gefahr). Ein Solarfeld mit einer Mehrzahl von Solarzellen ist aus der DE 102 61 876 B4 bekannt.The use of solar energy is gaining more and more importance. This is especially true in areas where other sources of energy are not available, such as space. There, sunlight can be used as the only regenerative energy source to generate the energy required to operate electrical systems and spacecraft. Usually, solar systems work with solar cells. However, these are subject to the problem that the production is expensive and expensive and also increase linearly with the required power and the required surface of the solar cell and thus the cost. Finally, the overall energy balance in the manufacture of solar cells is comparatively poor in relation to energy production during operation. When using solar cells is also to be noted that an increase in the surface temperature leads to a loss of power and, moreover, there is a risk that takes place in a partial shading of the solar cell cell overloading (hotspot danger). A solar field with a plurality of solar cells is out of the DE 102 61 876 B4 known.

Aus der US 6,392,313 B1 ist ein solares Energiesystem bekannt, das einen Sonnenkonzentrator, einen Mikroturbinengenerator und eine Kühlvorrichtung umfasst. Der Sonnenkonzentrator fokussiert die Energie auf einen Einlass des Mikroturbinengenerators, der aus der zugeführten Wärmeenergie elektrische Energie erzeugt. Nicht nutzbare Wärme wird bei terrestrischen Anwendungen durch Konvektion und bei der Verwendung im Weltraum durch Radiation abgegeben. Diese Energiesysteme sind gut für die Erzeugung von elektrischer Energie geeignet, jedoch lassen sie sich nur einzeln verwenden. Um größere Mengen elektrischer Energie zu erzeugen, muss daher das solare Energiesystem insgesamt vergrößert werden, wodurch es schwer zu transportieren ist.From the US 6,392,313 B1 For example, a solar energy system is known that includes a solar concentrator, a micro turbine generator, and a cooling device. The solar concentrator focuses the energy to an inlet of the micro-turbine generator, which generates electrical energy from the heat energy supplied. Unwanted heat is released by radiation in terrestrial applications by convection and by use in space. These energy systems are well suited for the production of electrical energy, but they can only be used individually. In order to generate larger amounts of electrical energy, therefore, the total solar energy system must be increased, making it difficult to transport.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Solarfeld zu schaffen, das einen hohen Wirkungsgrad bei geringer Hotspot Gefahr besitzt und kostengünstig herzustellen ist.task The present invention is therefore to provide a solar field, which has a high efficiency at low hotspot danger and economical is to produce.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.These Task is inventively by the characterizing features of claim 1.

Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, anstelle von Solarzellen mikrotechnisch hergestellte, solardynamische Rankine-Prozess-Module zu verwenden, die lediglich dem Carnot-Wirkungsgrad unterliegen, welcher höher sein kann als der von Solarzellen. Die von den Mikroturbinengeneratoren zur Erzeugung elektrischer Energie benötigter Wärmeenergie wird durch Sonnenkollektoren bereitgestellt. Da diese ein einfache Spiegelfläche bieten, sind sie kostengünstig herstellbar. Des weiteren besitzen sie den Vorteil, dass ihre Leistung nicht von der Umgebungstemperatur abhängt. Schließlich besteht auch keine Hotspot Gefahr. Im Falle von Abschattungen wird lediglich die erzielbare Leistung verringert.Of the Invention is thus the consideration based, instead of solar cells microfabricated, to use solar-dynamic Rankine process modules that only subject to the Carnot efficiency, which may be higher than that of solar cells. The microturbine generators used to generate electrical Energy needed Thermal energy is provided by solar panels. Because this is a simple one mirror surface offer, they are inexpensive produced. Furthermore, they have the advantage of having their performance does not depend on the ambient temperature. Finally, there is no hotspot Danger. In the case of shadowing is only the achievable Performance reduced.

Ein geeigneter Mikroturbinengenerator ist beispielsweise in der US 2006/0010871 A1 beschrieben. Bei diesem Mikroturbinengenerator sind in Mikrochipbauweise der Kondensator, die Turbine und der Verdampfer/Überhitzer übereinanderliegend angeordnet. Damit ist der vorbekannte Mikroturbinengenerator besonders geeignet, um ihn auf der abgeschatteten Seite des Sonnenkollektors, d. h unterhalb von diesem, anzuordnen. Dies ist sinnvoll, wenn mehrere Solarmodule zu einem Solarmodulfeld zusammengeschlossen werden, bei welchem die Sonnenkollektoren wabenartig nebeneinander liegend angeordnet sind. In diesem Fall sollten die Sonnenkollektoren eine im wesentlichen hexogonale Form aufweisen, so dass sie in platzsparender Weise wabenartig nebeneinander liegend und unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet werden können.A suitable micro-turbine generator is for example in the US 2006/0010871 A1 described. In this micro-turbine generator, the capacitor, the turbine and the evaporator / superheater are arranged one above the other in microchip construction. Thus, the previously known micro-turbine generator is particularly suitable to him on the shaded side of the solar collector, d. h below this, to arrange. This is useful if several solar modules are combined to form a solar module field, in which the solar panels are arranged honeycomb side by side. In this case, the solar panels should have a substantially hexagonal shape, so that they can be arranged in a space-saving manner honeycombed side by side and immediately adjacent to each other.

Durch die kuppelförmigen Abstrahlbleche wird eine große Abstrahlfläche generiert und gleichzeitig eine Wechselwirkung mit benachbarten Abstrahlblechen (Kugeldomradiatoren) minimiert.By the domed ones Radiator panels will be a big one radiating generated while interacting with neighboring ones Radiating sheets (Kugelradomradiatoren) minimized.

In bevorzugter Weise kann ein Wärmespeicher zwischen dem Sonnenkollektor und dem Mikroturbinengenerator geschaltet sein, der die vom Sonnenkollektor erzeugte Wärmeenergie speichert und an den Mikroturbinengenerator weitergibt. Der Wärmespeicher, der insbesondere auch in den Mikroturbinengenerator integriert sein kann, kann beispielsweise als Speichermedium eine thermische Salzmischung enthalten. Die zusätzliche Verwendung von Wärmespeichern hat den Vorteil, dass auch bei Schattenphasen der Mikroturbinengenerator weiter angetrieben wird, so dass die Anzahl von Batterien zur Speicherung elektrischer Energie reduziert werden kann.In Preferably, a heat storage connected between the solar collector and the micro-turbine generator be that stores and generates the heat energy generated by the solar panel passes on the microturbine generator. The heat storage, in particular can also be integrated into the micro-turbine generator, for example as storage medium containing a thermal salt mixture. The additional Use of heat storage has the advantage that even in shadow phases of the microturbine generator is driven further, so the number of batteries for storage electrical energy can be reduced.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mikroturbinengenerator nach einem geschlossenen Rankine-Prozess arbeitet, in dem insbesondere ein organisches Arbeitsmedium wie beispielsweise Toluol, aber auch beispielsweise Wasser eingesetzt werden kann. In diesem Fall umfasst der Mikroturbinengenerator in einem geschlossenen Kreislauf hintereinander eine Pumpe, einen Verdampfer, einen Überhitzer, eine Turbine und einen Kondensator. Dabei ist die Turbine einerseits mechanisch mit der Pumpe gekoppelt, um diese anzutreiben, und des weite ren mit einem elektrischen Generator gebunden. In dem Rankine-Prozess wird das Arbeitsmedium in dem Verdampfer verdampft und überhitzt. Die dafür erforderliche Wärmeenergie wird ihm direkt von dem Sonnenkollektor oder über einen zwischengeschalteten Wärmespeicher zugeführt. Im Anschluss tritt das überhitzte Arbeitsmedium durch die Turbine, wobei es isentrop expandiert und die Turbine antreibt.According to one embodiment of the invention, it is provided that the microturbine generator operates according to a closed Rankine process in which, in particular, an organic working medium such as, for example, toluene, but also, for example, water, can be used. In this case, the micro-turbine generator in a closed circuit in succession comprises a pump, an evaporator, a superheater, a turbine and a condenser. The turbine is on the one hand mechanically coupled to the pump to To drive these, and the other bound with an electric generator. In the Rankine process, the working fluid in the evaporator is vaporized and overheated. The required heat energy is supplied to him directly from the solar collector or via an intermediate heat storage. Subsequently, the superheated working fluid passes through the turbine, where it expands isentropically and drives the turbine.

Bei dem bekannten Mikroturbinengenerator sind der Verdampfer/Überhitzer unmittelbar unterhalb einer Absorberschicht angeordnet und bestehen aus mikrotechnisch hergestellten Mikrokanälen mit einem Durchmesser von 50 bis 200 μm. Die Kanäle sind in mehreren Schichten unterhalb der Absorberschicht bzw. unterhalb eines zusätzlich vorgesehenen Wärmespeichers angebracht. Das Fluid durchströmt diese Mikrokanäle und verdampft auch in ihnen. Durch die kleinen Kanäle wird eine sehr große Wärmeübergangsfläche erzeugt mit dem Ergebnis, dass sich eine hohe Wärmedurchgangsleistung auf kleinstem Raum erzeugen lässt.at the known micro-turbine generator are the evaporator / superheater arranged directly below an absorber layer and consist of microfabricated microchannels with a diameter of 50 to 200 μm. The channels are in several layers below the absorber layer or below one additional provided heat storage appropriate. The fluid flows through these microchannels and also evaporates in them. Through the small channels becomes creates a very large heat transfer surface with the result that a high heat transfer performance on smallest Create space.

In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Kühlvorrichtung einen Kühlkreislauf aufweist, der von einer Mehrzahl von kleinen Kühlkreisläufen gebildet wird, die Wärme vom Kondensator aufnehmen und vorzugsweise über das Wärmeabstrahlblech zur Außenseite aufweisen. Bei dieser Ausführungsform ist innerhalb des Kugeldomradiators ein zweiter Kühlkreislauf vorgesehen, der die abzuführende Wärme Qab vom Kondensator zur Modulrückseite transportiert. Der Kühlkreislauf besteht aus vielen kleinen passiven Kühlkreisläufen (sogenannte Mikro-Hot-Tubes), die Wärme vom Kondensator aufnehmen und an der Außenseite des Kugeldoms wieder abgeben. Die Kühlkreisläufe sind vorzugsweise passiv, d. h. ihr Betrieb wird lediglich durch das thermale Temperaturgefälle zwischen dem heißen Kondensator und der kalten Umgebungstempartur, die im Weltraum nur 4 K beträgt, aufrecht erhalten. In an sich bekannter Weise kann der Wärmetausch zwischen dem Kondensator und dem Kugeldomradiator mittels eines mikrotechnisch hergestellten Kreuzstromwärmetauschers vorgenommen werden, der mehrere hundert sich kreuzender Mikrokanäle mit einem Durchmesser von 50 bis 200 μm aufweist. Es findet dabei keine Mischung der beiden Fluide statt. Durch dieses Prinzip entsteht eine sehr hohe Wärmeübergangsfläche und im Ergebnis eine hohe Wärmedurchgangsleistung.In a further embodiment of this embodiment, it may be provided that the cooling device has a cooling circuit which is formed by a plurality of small cooling circuits, which absorb heat from the condenser and preferably via the heat radiating to the outside. In this embodiment, a second cooling circuit is provided within the Kugeldomradiators that transports the dissipated heat Q ab from the capacitor to the back of the module. The cooling circuit consists of many small passive cooling circuits (so-called micro-hot-tubes), which absorb heat from the condenser and return it to the outside of the ball dome. The cooling circuits are preferably passive, ie their operation is maintained only by the thermal temperature gradient between the hot condenser and the cold ambient temperature, which is only 4 K in space. In known manner, the heat exchange between the condenser and the Kugeldomradiator can be made by means of a microfabricated cross-flow heat exchanger having several hundred intersecting microchannels with a diameter of 50 to 200 microns. There is no mixing of the two fluids. This principle creates a very high heat transfer surface and, as a result, a high heat transfer performance.

Die Sonnenkollektoren können schließlich als Cassegrain-Kollektoren ausgeführt sein. Diese besitzen – in an sich bekannter Weise – einen paraboloiden Primärspiegel und einen hypoboloiden Sekundärspiegel, wobei der Sekundärspiegel in einem Bereich vor dem Brennpunkt des Primärspiegels derart angeordnet ist, dass das gesamte von dem Primärspiegel reflektierte Licht auf den Sekundärspiegel auftritt und von diesem zurück auf den Mittelbereich des Primärspiegels konzentriert wird. Dort kann dann ein Ab sorber vorgesehen sein, der das einfallende Licht in Wärmeenergie umwandelt.The Solar panels can finally as Cassegrain collectors accomplished be. These own - in in a known way - one paraboloidal primary mirror and a hypobolic secondary mirror, the secondary mirror arranged in an area in front of the focal point of the primary mirror such is that the entire light reflected from the primary mirror occurs on the secondary mirror and back from this on the central area of the primary mirror is concentrated. There can then be provided from a sorber the incident light into heat energy transforms.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:Regarding Another advantageous embodiment of the invention is based on the under claims and subsequent description of an embodiment with reference refer to the attached drawing. In the drawing shows:

1 ein Solarmodul gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung, 1 a solar module according to the present invention in a schematic representation,

2 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Cassegrain-Sonnenkollektors, 2 a schematic representation of the principle of operation of a Cassegrain solar collector,

3 ein Prinzip-Schaubild eines Rankine-Prozesses, 3 a schematic diagram of a Rankine process,

4a ein Mikroturbinengenerator zum Einsatz in einem Solarmodul gemäß der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht, 4a a microturbine generator for use in a solar module according to the present invention in sectional view,

4b im Halbschnitt den Mikroturbinengenerator aus 4a in Explosionsansicht, 4b in half cut the micro turbine generator 4a in exploded view,

5 in Draufsicht ein Solarfeld mit mehreren Solarmodulen gemäß der vorliegenden Erfindung, und 5 in plan view, a solar array with a plurality of solar modules according to the present invention, and

6 eine schematische Darstellung der Wärmeabstrahlung eines Kugeldomradiators. 6 a schematic representation of the heat radiation of a Kugeldenomradiators.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Solarmoduls 1 zur Generierung elektrischer Energie gemäß der vorliegenden Erfindung. Zu dem Solarmodul 1 gehört ein Energiewandler 2, der als Mikroturbinengenerator ausgebildet ist und bei der Zirkulation eines Arbeitsmediums zugeführte Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. Der Energiewandler 2 ist mit einem Sonnenkollektor 3 gekoppelt, der dem Mikroturbinengenerator 2 die zur Erzeugung elektrischer Energie erforderliche Wärmeenergie in der Form von gebündeltem Licht zuführt.The 1 shows a schematic representation of a solar module 1 for generating electrical energy according to the present invention. To the solar module 1 belongs to an energy converter 2 , which is designed as a microturbine generator and converts in the circulation of a working medium supplied heat energy into electrical energy. The energy converter 2 is with a solar panel 3 coupled to the microturbine generator 2 supplying the heat energy required to generate electrical energy in the form of collimated light.

Der Sonnenkollektor 3, dessen Grundaufbau in 2 dargestellt ist, umfasst ein Cassegrain-Spiegelsystem mit einem paraboloiden Primärspiegel 10 und einem hyperboloiden Sekundärspiegel 12 sowie einen Absorber 14. Der Sekundärspiegel 12 ist in einem Bereich vor dem Brennpunkt F des Primärspiegels 10 derart angeordnet, dass das gesamte von dem Primärspiegel 10 reflektierte Licht L auf den Sekundärspiegel 12 auftrifft und von diesem zurück auf den Mittelbereich des Primärspiegels 10 konzentriert wird. Dort ist der Absorber 14 mit einer Absorptionsfläche angeordnet, der das einfallende Licht L absorbiert und in Wärmeenergie umwandelt, die dem Mikroturbinengenerator 2 zugeführt wird.The solar collector 3 whose basic structure is in 2 includes a Cassegrain mirror system with a paraboloidal primary mirror 10 and a hyperboloid secondary mirror 12 as well as an absorber 14 , The secondary mirror 12 is in an area in front of the focal point F of the primary mirror 10 arranged such that the whole of the primary mirror 10 reflected light L on the secondary mirror 12 impinges and from this back to the central region of the primary mirror 10 concentrated becomes. There is the absorber 14 arranged with an absorption surface which absorbs the incident light L and converts it into heat energy, the microturbine generator 2 is supplied.

Der Mikroturbinengenerator 2 arbeitet nach einem geschlossenen organischen Rankine-Prozess, wie er an sich bekannt und schematisch in 3 dargestellt ist. Dazu sind in einem geschlossenen Kreislauf hintereinander eine Pumpe 20, ein Verdampfer 22, ein Überhitzer 23, eine Turbine 24 und ein Kondensator 26 angeordnet. Die Turbine 24 ist einerseits mechanisch mit der Pumpe 20 gekoppelt, um diese anzutreiben, und des weiteren mit einem elektrischen Generator 28 gekoppelt.The micro turbine generator 2 works according to a closed organic Rankine process, as he is known and schematic in 3 is shown. These are in a closed circuit one behind the other a pump 20 , an evaporator 22 , a superheater 23 , a turbine 24 and a capacitor 26 arranged. The turbine 24 on the one hand is mechanical with the pump 20 coupled to drive these, and further with an electric generator 28 coupled.

In dem Rankine-Prozess wird ein organisches Arbeitsmedium – hier Toluol – eingesetzt. Dieses erfährt in der Pumpe 20 eine isentrope Druckerhöhung und wird in flüssiger Form dem Verdampfer 22 zugeführt. Dort wird das Arbeitsmedium isobar erwärmt, verdampft und auf eine maximale Temperatur isobar überhitzt. Die dafür erforderliche Wärmeenergie Qzu wird dem Verdampfer 22 direkt oder, wie in dem Prinzipschaltbild in 3 gezeigt ist, über einen Wärmespeicher 27, der mit dem Absorber 14 thermisch gekoppelt ist, zugeführt. Der Wärmespeicher 27 enthält als Speichermedium eine thermische Salzmischung, die eine hohe Wärmespeicherkapazität aufweist.In the Rankine process an organic working medium - here toluene - is used. This experiences in the pump 20 an isentropic pressure increase and is in liquid form the evaporator 22 fed. There, the working medium isobar heated, evaporated and isobar superheated to a maximum temperature. The required heat energy Q to the evaporator 22 directly or, as in the schematic diagram in 3 is shown, via a heat storage 27 that with the absorber 14 thermally coupled, fed. The heat storage 27 contains as storage medium a thermal salt mixture which has a high heat storage capacity.

Im Anschluss tritt das dampfförmige, überhitzte Arbeitsmedium durch die Turbine 24, wobei es isentrop expandiert und an der Turbine 24 eine mechanische Arbeit Wmech leistet. Die mechanische Arbeit Wmech treibt die Pumpe 20 und einen elektrischen Generator 28 an, der mit der Turbine verbunden ist und in dem elektrische Energie Wel erzeugt wird.Subsequently, the vaporous, superheated working medium passes through the turbine 24 where it expands isentropically and at the turbine 24 performs a mechanical work W mech . The mechanical work W mech drives the pump 20 and an electric generator 28 which is connected to the turbine and in which electrical energy W el is generated.

Der Zyklus wird geschlossen, indem das immer noch dampfförmige Arbeitsmedium in den Kondensator 26 unter Abgabe von Wärmeenergie Qab kondensiert und isobar abgekühlt wird. Über den Kondensator 26 wird die Wärmeenergie Qab abgeführt.The cycle is closed by the still-vaporous working medium in the condenser 26 is condensed off with the release of heat energy Q and isobaric cooled. About the capacitor 26 the heat energy Q is removed from.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel eines solchen Mikroturbinengenerators 2 ist in 4a im Querschnitt gezeigt. 4b zeigt eine halbseitige Ansicht des Mikroturbinengenerators 2 aus 4a in Explosionsdarstellung. Dieser Mikroturbinengenerator 2 im Detail in der US 2006/00 10 871 A1 beschrieben.A concrete embodiment of such a microturbine generator 2 is in 4a shown in cross section. 4b shows a half-side view of the micro turbine generator 2 out 4a in exploded view. This micro turbine generator 2 in detail in the US 2006/00 10 871 A1 described.

Der Mikroturbinengenerator hat eine Grundfläche von etwa 1 cm2 und ist etwa 3 mm dick. Er wird mikrotechnisch unter Verwendung von photolitografischen Verfahren und Ätzverfahren unter der Verwendung von Silizium- und Glaswafern hergestellt. Wie in der 4b gut erkennbar ist, besteht der Mikroturbinengenerator 2 aus insgesamt fünf mikrobearbeiteten Schichten A bis E. Dabei bilden die oberen beiden Schichten A und B den Verdampfer 22 und die unteren beiden Schichten D und E den Kondensator 26 zwischen sich aus. Zwischen dem Verdampfer 22 und dem Kondensator 26 ist die mehrstufige Turbine 24 positioniert, deren Rotor 29 von der mittleren Schicht C gebildet wird. Der scheibenförmige ebene Rotor 29 trägt an seiner Ober seite Rotorblätter 30, die unter Bildung einer mehrstufigen Turbine 24 mit Statorblättern 32 in Eingriff stehen, die an der Unterseite des Verdampfers 22, d. h. an der Unterseite der zweiten Schicht B ausgebildet sind. Die Turbine 24 wird radial außerhalb von Begrenzungswänden 30 begrenzt. Die Pumpe 20 ist in die Unterseite des Rotors 29 an dessen Innenumfang eingeätzt, und der Generator 28 liegt radial außerhalb von der Pumpe 20 und ist an der Oberseite des Kondensators 26, d. h. an der Oberseite der Schicht D ausgebildet.The micro-turbine generator has a footprint of about 1 cm 2 and is about 3 mm thick. It is microfabricated using photolithographic and etching processes using silicon and glass wafers. Like in the 4b is clearly recognizable, consists of the micro-turbine generator 2 from a total of five micromachined layers A to E. The upper two layers A and B form the evaporator 22 and the lower two layers D and E the capacitor 26 between themselves. Between the evaporator 22 and the capacitor 26 is the multi-stage turbine 24 positioned, whose rotor 29 is formed by the middle layer C. The disk-shaped plane rotor 29 carries rotor blades on its upper side 30 , forming a multi-stage turbine 24 with stator blades 32 engaged at the bottom of the evaporator 22 , that are formed on the underside of the second layer B. The turbine 24 becomes radially outside of boundary walls 30 limited. The pump 20 is in the bottom of the rotor 29 etched on the inner circumference, and the generator 28 is located radially outside of the pump 20 and is at the top of the capacitor 26 , that is formed at the top of the layer D.

An der Oberseite des Kondensators 26 ist ein Stator 40 vorgesehen. Der Stator 40 ist elektromagnetisch mit dem Rotor 29 gekoppelt, wodurch der Generator 28 gebildet wird. Der Generator 28 verfügt über seitlich angeordnete und schematisch gezeigte Anschlussklemmen 42.At the top of the condenser 26 is a stator 40 intended. The stator 40 is electromagnetic with the rotor 29 coupled, causing the generator 28 is formed. The generator 28 has laterally arranged and schematically shown connection terminals 42 ,

Der Verdampfer 22 und der Kondensator 26 sind jeweils mit nicht im Detail gezeigten Mikrokanälen ausgeführt, die jeweils mit der Pumpe 20 und der Turbine 24 verbunden sind. Der Verdampfer 22 ist eingangsseitig mit der Pumpe 20 verbunden, während der Kondensator 26 ausgangsseitig mit der Pumpe 20 verbunden ist.The evaporator 22 and the capacitor 26 are each carried out with microchannels not shown in detail, each with the pump 20 and the turbine 24 are connected. The evaporator 22 is on the input side with the pump 20 connected while the capacitor 26 on the output side with the pump 20 connected is.

An der Oberseite des Verdampfers 22 kann eine hier nicht näher gezeigte absorbierende Beschichtung vorgesehen sein, die den Absorber 14 darstellt. Auch kann ein Wärmespeicher in dem Mikroturbinengenerator integriert sein.At the top of the evaporator 22 may be provided an absorbent coating, not shown here, which the absorber 14 represents. Also, a heat accumulator may be integrated in the micro-turbine generator.

Wie 1 erkennen läßt, schließt an das untere Ende des Kondensators 26 eine Kühlvorrichtung 60 an, die mit dem Kondensator 26 thermisch gekoppelt ist und dazu dient, Wärme Qab von diesem abzuführen. Die Kühlvorrichtung 60 umfasst einen Wärmetransportkörper 62 und ein darüber liegendes Wärmeabstrahlblech 64, das kuppelförmig von der Unterseite Kondensators 26 abragt. In dem Wärmetransportkörper 2 ist ein passives Kühlsystem untergebracht, um die vom Kondensator abzuführende Wärme Qab zur Modulunterseite, d. h. zum Wärmeabstrahlblech 64 zu transportieren. Der Kühlkreislauf besteht aus vielen kleinen passiven Kühlkreisläufen (sogenannten Mikro-Hot-Tubes), die Wärme vom Kondensator 26 aufnehmen und zum Wärmeabstrahlblech 64 wieder abgeben. Der Kühlkreislauf ist passiv, d. h. er wird lediglich durch das thermale Temperaturgefälle zwischen dem heißen Kondensator 26 und der Umgebungstemperatar, welche im Weltraum 4 K betragen kann, aufrecht erhalten. Der Wärmeaustausch zwischen dem Kondensator 26 und dem Kugeldomradiator 64 wird mittels eines mikrotechnisch hergestellten Kreuzstromwärmetauschers vorgenommen.As 1 indicates, connects to the lower end of the capacitor 26 a cooling device 60 on, with the capacitor 26 is thermally coupled and serves to dissipate heat Q ab from this. The cooling device 60 includes a heat transfer body 62 and an overlying heat radiating sheet 64 , the dome-shaped from the bottom of the capacitor 26 protrudes. In the heat transfer body 2 is a passive cooling system housed to the dissipated by the condenser heat Q ab to the module bottom, ie the heat radiating 64 to transport. The cooling circuit consists of many small passive cooling circuits (so-called micro-hot-tubes), the heat from the condenser 26 record and to the heat radiator 64 leave again. The cooling circuit is passive, ie it is only due to the thermal temperature gradient between the hot condenser 26 and the ambient temperature, which in space 4 K can be sustained. The heat exchange between the condenser 26 and the ball dome radiator 64 is carried out by means of a microfabricated cross-flow heat exchanger.

Im Betrieb wird auf den Sonnenkollektor 3 einfallendes Licht L über den Primärspiegel 10 und den Sekundärspiegel 12 auf den Absorber 14 konzentriert, der aus dem Licht L die Wärmeenergie Qzu absorbiert. Die Wärmeenergie Qzu wird über den Wärmespeicher 27 oder auf direktem Weg an den Verdampfer 22 übertragen.In operation is on the solar panel 3 incident light L over the primary mirror 10 and the secondary mirror 12 on the absorber 14 concentrated to absorb the light L from the thermal energy Q. The heat energy Q to be on the heat storage 27 or directly to the evaporator 22 transfer.

Bei dem Durchgang durch den Verdampfer 22 wird das Arbeitsmedium durch die zugeführte Wärmeenergie Qzu erhitzt und verdampft. Im Anschluss wird das gasförmige Arbeitsmedium der Turbine 24 zugeführt, wo es zwischen den Leitelementen 36, 38 durchtritt und dabei den Rotor 28 in Drehung versetzt.When passing through the evaporator 22 the working medium is to be heated by the supplied thermal energy Q and evaporated. Subsequently, the gaseous working medium of the turbine 24 fed where it is between the vanes 36 . 38 passes through while the rotor 28 set in rotation.

Durch die Drehung des Rotors 29 wird einerseits in dem Generator 28 elektrische Energie Wel, induziert und andererseits wird die Pumpe 20 angetrieben, die das Arbeitsmedium umwälzt. Die elektrische Energie Wel wird über die Kontakte 42 abgegriffen.By the rotation of the rotor 29 on the one hand in the generator 28 electrical energy W el , and on the other hand, the pump 20 driven, which circulates the working fluid. The electrical energy W el is via the contacts 42 tapped.

Das entspannte Arbeitsmedium wird schließlich dem Kondensator 26 zugeführt, wo ihm über die Kühlvorrichtung 60 Wärmeenergie Qab entzogen wird. Das darin vorhandene Fluid transportiert die Abwärme Qab zunächst zur Kuppelmittel des Wärmeabstrahlblechs 64, so dass dort die größte Wärmeabstrahlung stattfindet. Beim weiteren Transport entlang der Kuppel gibt das Fluid weiterhin Wärmeenergie ab, so dass die gesamte Fläche des Wärmeabstrahlblechs 64 für die Wärmeabgabe benutzt wird. Ingesamt wird über das Wärmeabstrahlblech 64 die gesamte nicht nutzbare Wärmeenergie Qab abgestrahlt. Die sich hierbei einstellende Wärmeverteilungskurve ist in 6 dargestellt.The relaxed working medium eventually becomes the condenser 26 fed to him about the cooling device 60 Heat energy Q is extracted from. The fluid present therein transports the waste heat Q from initially to the coupling means of the heat radiating plate 64 , so that there takes place the largest heat radiation. During further transport along the dome, the fluid continues to emit heat energy, so that the entire surface of the heat radiating plate 64 is used for heat dissipation. In total, over the heat radiator 64 the entire non-usable heat energy radiated from Q. The resulting heat distribution curve is in 6 shown.

Das Solarmodul 1 ist für eine Erzeugung von einer elektrischen Leistung von 10 W dimensioniert für einen Einsatz im Weltraum dimensioniert. Für den Mikroturbinenge nerator 2 ergibt sich eine erforderliche Fläche von etwa 1 cm2 bei einer Höhe von etwa 3 mm. Unter Berücksichtigung der auftretenden Wirkungsgrade und Verluste in dem Mikroturbinengenerator 2 (Verwendung von Toluol, Verdampfertemperatur 548 K, Kondensatortemperatur 302 K) ist dafür eine Zufuhr von 70 W in dem Verdampfer 22 erforderlich. Bei einer Sonnenstrahlung von 1350 Watt/m2 und einem Absorptionsfaktor von 0,8 ergibt sich daraus unter Berücksichtigung der Abschattung durch den Sekundärspiegel 12 (Schattenfaktor 0,02) eine erforderliche Fläche des Primärspiegels 10 von 703 cm2, was einem Radius von etwa 15 cm entspricht. An dem Kondensator 26 müssen 49,8 W Wärme emittiert werden, wofür eine gesamte Abstrahlfläche von 1508 cm2 erforderlich ist.The solar module 1 is dimensioned for a production of an electrical power of 10 W dimensioned for use in space. For the Mikroturbinenge generator 2 results in a required area of about 1 cm 2 at a height of about 3 mm. Taking into account the occurring efficiencies and losses in the micro-turbine generator 2 (Use of toluene, evaporator temperature 548 K, condenser temperature 302 K) is for a supply of 70 W in the evaporator 22 required. At a solar radiation of 1350 watts / m 2 and an absorption factor of 0.8, this results in consideration of the shading by the secondary mirror 12 (Shadow factor 0.02) a required area of the primary mirror 10 of 703 cm 2 , which corresponds to a radius of about 15 cm. On the condenser 26 49.8 W of heat must be emitted, for which a total radiation area of 1508 cm 2 is required.

Aus dem zuvor beschriebenen Solarmodul 1 lassen sich Solarmodulfelder aufbauen, die exakt auf die benötigte Leistung abgestimmt sind. Wird beispielsweise eine Leistung von 750 Watt benötigt, kann ein Solarfeld aus 75 einzelnen Solarmodulen 10, die für eine Erzeugung von jeweils 10 Watt dimensioniert sind, zusammengestellt werden. Im Vergleich zu großen zentralen Anlagen, die für eine feste Leistung von 100 Watt, 1 Kilowatt oder dergleichen ausgelegt sind, ergibt sich somit eine hohe Flexibilität, die eine nahezu stufenlose Leistungsanpassung ermöglicht. Durch weiteres Hinzufügen von Solarmodulen 1 kann auch die zur Verfügung stehende Gesamtleistung jederzeit erhöht werden.From the solar module described above 1 It is possible to set up solar module detectors that are exactly matched to the required power. If, for example, a power of 750 watts is required, a solar field can consist of 75 individual solar modules 10 , which are dimensioned for a generation of 10 watts each. Compared to large central systems, which are designed for a fixed power of 100 watts, 1 kilowatt or the like, thus resulting in a high degree of flexibility, which allows a nearly continuous power adjustment. By further adding solar modules 1 The total available capacity can also be increased at any time.

Ein weiterer Vorteil, der mit dem Einsatz von kleinen Solarmodulen 1 verbunden ist, besteht in der hohen Redundanz. Bei der erfindungsgemäßen dezentralen Lösung zur Energiegewinnung mittels Mikroturbinengeneratoren können mehrere Solarmodule ein Ausfallen, ohne dass hierdurch die Energieversorgung gefährdet wäre. Bei großen solardynamischen Kraftmaschinen kann im Gegensatz hierzu ein Fehler schon zum Ausfall der gesamten Anlage führen.Another advantage with the use of small solar panels 1 is connected in the high redundancy. In the decentralized solution according to the invention for generating energy by means of microturbine generators, a plurality of solar modules may fail, without this endangering the energy supply. By contrast, in the case of large solar-dynamic combustion engines, an error can already lead to the failure of the entire system.

Die 5 zeigt in Draufsicht eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Sonnenkollektoren 3 eines Solarmodulfelds 1a, das von mehreren – hier sieben – parallel geschalteten einzelnen Solarmodulen 1, wie sie zuvor beschrieben wurden, gebildet wird. Die Sonnenkollektoren 3 weisen jeweils eine hexagonale Form auf und sind wabenartig nebeneinander angeordnet, so dass sich zwischen ihnen praktisch keine Freiräume ergeben. Der Aufbau der Sonnenkollektoren 3 und der in 5 nicht sichtbaren, darunter liegenden Mikroturbinengeneratoren 2 ist wie in dem zuvor beschriebenen elementaren Solarmodul 1.The 5 shows a plan view of a plurality of juxtaposed solar panels 3 of a solar module field 1a , that of several - here seven - parallel individual solar modules 1 , as previously described, is formed. The solar panels 3 each have a hexagonal shape and are arranged in a honeycomb side by side, so that there is virtually no space between them. The construction of the solar panels 3 and the in 5 invisible, underlying micro-turbine generators 2 is as in the elementary solar module described above 1 ,

In dem erweitertem Solarmodul 1a erzeugen die Mikroturbinengeneratoren 2 der einzelnen Solarmodule 1 gemeinsam elektrische Energie. In Freiräumen zwischen den Mikroturbinengeneratoren 2 ist eine nicht gezeigte elektrische Verkabelung vorgesehen, um elektrische Energie an dem Solarmodul 1a abzugreifen.In the extended solar module 1a generate the microturbine generators 2 the individual solar modules 1 together electrical energy. In free spaces between the microturbine generators 2 an electrical wiring, not shown, is provided to supply electrical energy to the solar module 1a tap off.

Durch die nebeneinander liegende Anordnung der Sonnenkollektoren 3 wird die Fläche, die für die darunter positionierten Kondensatoren 26 zur Verfügung steht, vorgegeben. Unter Bedingungen, die ausschließlich Wärmeabtransport durch Wärmestrahlung erlauben, z. B. beim Einsatz im Weltraum, kann die Kondensatorfläche nicht ausreichend sein, um die erforderliche Wärmeenergie Qab abzustrahlen. Für diesen Fall ist durch die Ausgestaltung der Kühlvorrichtungen 60, wie sie zuvor beschrieben ist, die effektive Abstrahlfläche vergrößert worden. Bei der Anordnung der Kühlvorrichtungen 60, die im Prinzip in 6 gezeigt ist, wird die Abstrahlung durch die vergrößerte Abstrahlfläche verbessert, ohne dass die Abstrahlung zu benachbarten Kühlvorrichtungen 60 erfolgt, was deren Abstrahlwirkung beeinträchtigen würde. Dadurch wird eine ausreichenden Wärmeabgabe sichergestellt.By the juxtaposition of the solar panels 3 will be the area used for the capacitors positioned below 26 is available, given. Under conditions that allow only heat removal by heat radiation, z. B. when used in space, the capacitor area may not be sufficient to radiate the required heat energy Q from . For this case is due to the design of the coolers 60 as described above, the effective radiating area has been increased. In the arrangement of the cooling devices 60 that, in principle, in 6 is shown, the radiation is improved by the increased radiating surface, without the radiation to adjacent cooling devices 60 takes place, which would affect their radiation effect. This ensures adequate heat dissipation.

Claims (10)

Solarfeld mit einer Mehrzahl Solarmodule zur Generierung elektrischer Energie aus einfallendem Sonnenlicht, die nebeneinander liegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Solarmodul einen Mikroturbinengenerator (2), der ihm zugeführte Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt, einen Sonnenkollektor (3), der eine im wesentlichen hexagonale Form aufweist und mit dem Mikroturbinengenerator (2) derart gekoppelt ist, um ihm Wärmeenergie in der Form von gebündeltem Licht zuzuführen, und eine dem Mikroturbinengenerator (2) zugeordnete Kühlvorrichtung (60), die thermisch leitend mit einem Kondensator (26) des Mikroturbinengenerators (2) verbunden ist, ein Wärmeabstrahlblech (64) umfasst, das kuppelförmig von dem Mikroturbinengenerator (2) abragt, und an der dem Sonnenkollektor (3) gegenüberliegenden Seite des Mikroturbinenengenerators (2) vorgesehen ist, aufweist, wobei die Sonnenkollektoren (3) wabenartig angeordnet sind.Solar field with a plurality of solar modules for generating electrical energy from incident sunlight, which are arranged side by side, characterized in that each solar module a micro-turbine generator ( 2 ), which converts heat energy supplied to it into electrical energy, a solar collector ( 3 ), which has a substantially hexagonal shape and with the micro-turbine generator ( 2 ) is coupled to supply heat energy in the form of collimated light, and a microturbine generator ( 2 ) associated cooling device ( 60 ), which are thermally conductive with a capacitor ( 26 ) of the microturbine generator ( 2 ), a heat radiating plate ( 64 ), which is dome-shaped from the micro-turbine generator ( 2 ) and at the solar collector ( 3 ) opposite side of the microturbine generator ( 2 ) is provided, wherein the solar panels ( 3 ) are arranged honeycomb. Solarfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul einen Wärmespeicher (27) umfasst, der zwischen den Sonnenkollektor (3) und den Mikroturbinengenerator (2) geschaltet ist, der die von dem Sonnenkollektor (3) erzeuge Wärmeenergie speichert und an dem Mikroturbinengenerator (2) weitergibt.Solar field according to claim 1, characterized in that the solar module a heat storage ( 27 ) between the solar collector ( 3 ) and the microturbine generator ( 2 ) connected to the solar panel ( 3 ) generate heat energy stores and at the micro turbine generator ( 2 ) passes on. Solarfeld nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (27) als Speichermedium eine thermische Salzmischung enthält.Solar field according to claim 2, characterized in that the heat storage ( 27 ) contains as a storage medium a thermal salt mixture. Solarfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroturbinengenerator (2) nach einem geschlossenen Rankine-Prozess arbeitet.Solar field according to one of the preceding claims, characterized in that the micro-turbine generator ( 2 ) works according to a closed Rankine process. Solarfeld nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium organisch ist.Solar field according to claim 4, characterized in that that the working medium is organic. Solarfeld nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Arbeitsmedium Toluol ist.Solar field according to claim 5, characterized in that that the organic working medium is toluene. Solarfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (60) einen Kühlkreislauf aufweist, der von einer Mehrzahl von kleinen passiven Kühlkreisläufen gebildet wird, die Wärme vom Kondensator aufnehmen und vorzugsweise über das Wärmeabstrahlblech (64) zur Außenseite abstrahlen.Solar field according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device ( 60 ) comprises a cooling circuit, which is formed by a plurality of small passive cooling circuits which receive heat from the condenser and preferably via the heat radiating plate ( 64 ) to the outside. Solarfeld nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkreisläufe passiv sind und deren Betrieb ausschließlich durch das thermale Temperaturgefälle zwischen dem heißen Kondensator und der kalten Umgebung aufrecht erhalten wird.Solar field according to claim 7, characterized in that that the cooling circuits passively are and their operation solely by the thermal temperature gradient between mean the hot Condenser and the cold environment is maintained. Solarfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenkollektor (3) als Cassegrain-Kollektor ausgeführt ist.Solar field according to one of the preceding claims, characterized in that the solar collector ( 3 ) is designed as a Cassegrain collector. Solarfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroturbinengenerator (2) auf der abgeschatteten Seite des Sonnenkollektors (3) angeordnet ist.Solar field according to one of the preceding claims, characterized in that the micro-turbine generator ( 2 ) on the shaded side of the solar collector ( 3 ) is arranged.
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