DE102017127267A1 - Photo-thermal generator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Foto-Thermogenerator mit einem Fotovoltaikelement (1) und einem Peltierelement (2) zur effizienten und verlustarmen Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie. Der Foto-Thermogenerator zeichnet sich durch eine unmittelbare thermische Kontaktierung der Halbleiterschicht (1.2) des Fotovoltaikelements (1) mit der Deckenträgerplatte (2.1) des Peltierelements (1) aus, wodurch ein unbehinderter Wärmeübergang vom Fotovoltaikelement (1) in das Peltierelement (2) gewährleistet ist. Der Foto-Thermogenerator eignet sich infolge der Möglichkeit, das Fotovoltaikelement (1) mittels des Peltierelements (2) effektiv passiv oder aktiv zu kühlen, besonders für den Einsatz bei hohen Außentemperaturen bzw. starker Solarstrahlung (6).The invention relates to a photo-thermal generator with a photovoltaic element (1) and a Peltier element (2) for the efficient and low-loss conversion of solar radiation into electrical energy. The photo-thermal generator is characterized by an immediate thermal contacting of the semiconductor layer (1.2) of the photovoltaic element (1) with the ceiling support plate (2.1) of the Peltier element (1), thereby ensuring unimpeded heat transfer from the photovoltaic element (1) into the Peltier element (2) is. The photo-thermal generator is due to the ability to effectively passively or actively cool the photovoltaic element (1) by means of the Peltier element (2), especially for use at high ambient temperatures or strong solar radiation (6).
Description
Die Erfindung betrifft einen Foto-Thermogenerator mit einem Fotovoltaikelement und einem Peltierelement zur effizienten und verlustarmen Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie; er eignet sich besonders für den Einsatz bei hohen Außentemperaturen bzw. starker Solarstrahlung.The invention relates to a photo-thermal generator with a photovoltaic element and a Peltier element for the efficient and low-loss conversion of solar radiation into electrical energy; It is particularly suitable for use at high outside temperatures or strong solar radiation.
Peltierelemente können als Thermogeneratoren zur Gleichstromzeugung betrieben werden, indem ein Wärmestrom unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts in elektrischen Strom gewandelt wird. Diese Verwendung von Peltierelementen ebenso wie auch der Kombination von Fotovoltaik- und Thermoelementen zur Wandlung der Solarstrahlung in elektrischen Strom ist allgemein bekannt.
Die bekannten Fotovoltaik- und Thermogeneratormodule weisen hierbei einen typischen Aufbau auf:The known photovoltaic and thermo-generator modules in this case have a typical structure:
Konventionelle Fotovoltaikmodule besitzen eine mit Kontaktelektroden versehene Halbleiterschicht. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen ist die Halbleiterschicht mit einer Einbettungsfolie sowie einer Glasscheibe abgedeckt bzw. umhüllt.Conventional photovoltaic modules have a semiconductor layer provided with contact electrodes. For protection against environmental influences, the semiconductor layer is covered or encased with an embedding film and a glass pane.
Die als Thermogeneratoren betriebenen Peltierelemente sind in den handelsüblichen Ausführungen aus einer elektrisch kontaktierten Halbleiterlage zwischen zwei, meist aus Aluminiumoxid bestehenden keramischen Trägerplatten aufgebaut.The operated as thermal generators Peltier elements are constructed in the commercial versions of an electrically contacted semiconductor layer between two, usually consisting of alumina ceramic support plates.
Bei Kombination derartiger konventioneller Fotovoltaik- und Peltierelemente zu einem integralen Foto-Thermogenerator kommt es an den Grenzflächen zwischen Fotovoltaik- und Peltierelement infolge der Schutzschichten zur Behinderung des Wärmeübergangs. Dies limitiert die Möglichkeit, mittels des Peltierelements das Fotovoltaikelement passiv oder aktiv zu kühlen, um insbesondere der Überhitzung des Fotovoltaikelements bei hohen Außentemperaturen bzw. starker Solarstrahlung und dem damit verbundenen Wirkungsgradabfall, auch bekannt als „voltage drop“, entgegenzuwirken.When such conventional photovoltaic and Peltier elements are combined to form an integral photo-thermal generator, the interfaces between the photovoltaic element and the Peltier element due to the protective layers impede the heat transfer. This limits the possibility of passively or actively cooling the photovoltaic element by means of the Peltier element, in particular to counteract the overheating of the photovoltaic element at high outside temperatures or strong solar radiation and the associated efficiency drop, also known as "voltage drop".
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Foto-Thermogenerator, umfassend ein Fotovoltaikelement und ein Peltierelement, bereitzustellen, der es ermöglicht, die im Fotovoltaikelement entstehende Wärme ungehindert an das Peltierelement weiterzuleiten, um entweder die Abwärme des Fotovoltaikelements im Peltierelement in elektrische Energie zu wandeln und gleichzeitig das Fotovoltaikelement passiv zu kühlen oder alternativ das Peltierelement zur verlustarmen aktiven Kühlung des Fotovoltaikelements zu betreiben.The object of the invention is to provide a photo-thermal generator comprising a photovoltaic element and a Peltier element, which makes it possible to pass on the heat generated in the photovoltaic element unhindered to the Peltier element to convert either the waste heat of the photovoltaic element in the Peltier element into electrical energy and at the same time passively cool the photovoltaic element or alternatively operate the Peltier element for low-loss active cooling of the photovoltaic element.
Diese Aufgabe wird durch einen Foto-Thermogenerator mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben.This object is achieved by a photo-thermal generator with the characterizing features of claim 1; Advantageous developments of the invention are described in claims 2 to 10.
Nach Maßgabe der Erfindung umfasst der Foto-Thermogenerator zur Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie mindestens ein Fotovoltaikelement sowie mindestens ein, mit dem Fotovoltaikelement direkt thermisch kontaktiertes Peltierelement.According to the invention, the photo-thermal generator for converting solar radiation into electrical energy comprises at least one photovoltaic element and at least one Peltier element directly thermally contacted with the photovoltaic element.
Das Peltierelement besitzt einen schicht- bzw. lagenartigen Aufbau, wobei eine Deckenträgerplatte und eine Bodenträgerplatte eine Halbleiterlage aus mehreren Einzelhalbleiterelementen einschließen. Zwischen der Bodenträgerplatte und der Halbleiterlage befindet sich eine Bodenelektrode und zwischen elektrischer Deckenträgerplatte und Halbleiterlage eine Deckenelektrode. Decken- und Bodenelektrode sind an den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterlage mit dieser in allgemein bekannter Weise elektrisch leitend verbunden. Jede der Lagen des Peltierelements ist zu ihren jeweils benachbarten Lagen thermisch kontaktiert, sodass Wärme ungehindert von einer Lage in die direkt benachbarten Lagen übergehen kann.The Peltier element has a layered or layered structure, wherein a ceiling support plate and a bottom support plate include a semiconductor layer of a plurality of individual semiconductor elements. Between the bottom support plate and the semiconductor layer is a bottom electrode and between the electrical ceiling support plate and the semiconductor layer, a ceiling electrode. Ceiling and bottom electrode are electrically conductively connected to the respective opposite sides of the semiconductor layer with this in a generally known manner. Each of the layers of the Peltier element is thermally contacted to their respective adjacent layers, so that heat can pass unhindered from one layer to the directly adjacent layers.
Das Fotovoltaikelement ist ebenfalls in bekannter Weise schicht- bzw. lagenartig aufgebaut und umfasst eine Frontelektrode, die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch der einfallenden Solarstrahlung zugewandt ist, und einer Rückseitenelektrode zwischen denen eine Halbleiterschicht, vorzugsweise aus dotiertem Silizium, angeordnet ist.The photovoltaic element is also layered in a known manner and comprises a front electrode, which faces the incident solar radiation when used as intended, and a backside electrode between which a semiconductor layer, preferably made of doped silicon, is arranged.
Erfindungsgemäß ist die Halbleiterschicht des Fotovoltaikelements direkt mit der Deckenträgerplatte des Peltierelements und/oder die Rückseitenelektrode des Fotovoltaikelements direkt mit der Deckenträgerplatte des Peltierelements thermisch kontaktiert.According to the invention, the semiconductor layer of the photovoltaic element is directly thermally contacted directly with the ceiling support plate of the Peltier element and / or the rear side electrode of the photovoltaic element with the ceiling support plate of the Peltier element.
Durch diesen direkten thermischen Kontakt fließt Wärme aus dem Fotovoltaikelement ungehindert zum Peltierelement ab, sodass ein Hitzestau an der Grenzfläche zwischen Fotovoltaikelement und Peltierelement vermieden wird. Dies verbessert sowohl die Möglichkeit zur passiven als auch zur aktiven Kühlung des Fotovoltaikelements im Vergleich zu einem als Kombination aus konventionellen Fotovoltaik- und Peltierelementen aufgebautem Foto-Thermogenerator.Due to this direct thermal contact, heat flows out of the photovoltaic element unhindered to the Peltier element, so that heat build-up at the interface between the photovoltaic element and the Peltier element is avoided. This improves both the possibility of passive and active cooling of the photovoltaic element in comparison to a constructed as a combination of conventional photovoltaic and Peltier elements photo-thermal generator.
Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ist das Fotovoltaikelement und die Deckenträgerplatte des Peltierelements der Solarstrahlung zugewandt. Vorzugsweise besitzt das Fotovoltaikelement eine geringere laterale Ausdehnung als die Deckenträgerplatte des Peltierelements, sodass lediglich eine Teilfläche der Deckenträgerplatte durch das Fotovoltaikelement von direkt auftreffender Solarstrahlung abgedeckt ist. In den unabgedeckten Bereichen der Deckenträgerplatte kann die solare Strahlung direkt das Peltierelement erwärmen.When used as intended, the photovoltaic element and the ceiling support plate of the Peltier element facing the solar radiation. Preferably, the photovoltaic element has a smaller lateral extent than the ceiling support plate of the Peltier element, so that only a partial surface of the ceiling support plate is covered by the photovoltaic element of directly incident solar radiation. In the uncovered areas of the ceiling support plate, the solar radiation can directly heat the Peltier element.
Zur Steuerung und Regelung der elektrischen Energieabgabe kann der Foto-Thermogenerator eine Steuerungs- und Regelungseinheit umfassen, die zum einen die Abgabe der elektrischen Energie in Form von Gleichstrom regelt und zum anderen kann das Peltierelement durch elektrische Energiezufuhr zur aktiven Kühlung des Fotovoltaikelements betrieben werden. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen bzw. starker Solarstrahlung eröffnet dies die Möglichkeit, durch aktive Kühlung des Fotovoltaikelements dem als „voltage drop“ bekannten Effekt entgegenzuwirken.For controlling and regulating the electrical energy output of the photo-thermal generator may include a control and regulating unit, which regulates the one hand, the delivery of electrical energy in the form of direct current and on the other hand, the Peltier element can be operated by electrical energy supply for active cooling of the photovoltaic element. Especially at high outside temperatures or strong solar radiation, this opens up the possibility of counteracting by active cooling of the photovoltaic element known as the "voltage drop" effect.
Die Steuerungs- und Regelungseinheit ist über elektrische Leiter mit der Front- und Rückseitenelektrode des Fotovoltaikelements sowie der Boden- und Deckenelektrode des Peltierelements verbunden.The control and regulation unit is connected via electrical conductors to the front and rear side electrode of the photovoltaic element and the bottom and top electrode of the Peltier element.
In einer Ausgestaltung des Foto-Thermogenerators weist die Deckenträgerplatte eine flächige Einbuchtung auf, in die das Fotovoltaikelement eingesetzt ist. Ein Vorteil des in die Deckenträgerplatte integrierten Fotovoltaikelements ist die Intensivierung des Wärmeübergangs vom Fotovoltaikelement in die Deckenträgerplatte des Peltierelements, da zusätzlich zur Bodenfläche über die Seitenflächen des Fotovoltaikelements Wärme zum Peltierelement übertragbar ist.In one embodiment of the photo-thermal generator, the ceiling support plate has a two-dimensional indentation, into which the photovoltaic element is inserted. An advantage of the integrated in the ceiling support plate photovoltaic element is the intensification of the heat transfer from the photovoltaic element in the ceiling support plate of the Peltier element, since in addition to the bottom surface on the side surfaces of the photovoltaic element heat to the Peltier element is transferable.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Foto-Thermogenerator, zumindest auf der Seite, an der das Fotovoltaikelement angebracht ist, eine Schutzabdeckung zum Schutz vor umweltbedingten Einflüssen, wie zum Beispiel korrosiven und/oder mechanischen Beanspruchungen, aufweist. Die Schutzabdeckung besteht vorzugsweise aus Glas oder Keramik und ist für sichtbares und infrarotes Licht durchlässig. Die Schutzabdeckung kann auch den gesamten Foto-Thermogenerator umschließen und wird in diesem Fall als Schutzumhüllung bezeichnet. Außerdem kann der Foto-Thermoreaktor einen Schutzrahmen, zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung, besitzen.It may further be provided that the photo-thermal generator, at least on the side on which the photovoltaic element is mounted, a protective cover for protection against environmental influences, such as corrosive and / or mechanical stresses, has. The protective cover is preferably made of glass or ceramic and is transparent to visible and infrared light. The protective cover can also enclose the entire photo-thermal generator and is referred to in this case as a protective cover. In addition, the photo-thermal reactor can have a protective frame, for example of an aluminum alloy.
In einer bevorzugten Ausführung besteht die Schutzabdeckung zumindest in dem das Fotovoltaikelement abdeckenden Bereich aus einer transparenten Spinellkeramik, insbesondere aus Magnesium-Aluminium-Spinellen. Transparente Spinellkeramik zeichnet sich durch eine hohe Strahlungsdurchlässigkeit sowohl im ultravioletten, im sichtbaren und im infraroten Wellenlängenbereich aus. Die Schutzabdeckung gewährleistet somit Schutz vor Umwelteinflüssen ohne den Zutritt der Solarstrahlung zu den Halbleiterbauteilen des Fotovoltaik- und Peltierelements zu behindern.In a preferred embodiment, at least in the region covering the photovoltaic element, the protective covering consists of a transparent spinel ceramic, in particular magnesium-aluminum spinels. Transparent spinel ceramics are characterized by high radiation permeability in the ultraviolet, visible and infrared wavelengths. The protective cover thus ensures protection against environmental influences without hindering the access of the solar radiation to the semiconductor components of the photovoltaic and Peltier element.
In einer weiteren Ausführung der Schutzabdeckung besteht diese zumindest in dem direkt die Deckenträgerplatte des Peltierelements abdeckenden Bereich aus einer LAS-Glaskeramik. Neben der Schutzwirkung gegen Umwelteinflüsse ist hierdurch ebenfalls ein gute Strahlungsdurchlässigkeit, insbesondere für infrarote Strahlung, sichergestellt.In a further embodiment of the protective cover, it consists of a LAS glass ceramic, at least in the region directly covering the ceiling support plate of the Peltier element. In addition to the protective effect against environmental influences, this also ensures a good radiation permeability, in particular for infrared radiation.
Es kann zudem vorgesehen sein, die Deckenträgerplatte möglichst dünn auszuführen, insbesondere mit einer Dicke von weniger als 0,25 mm. Die geringe Dicke ermöglicht einen guten Wärmetransport vom Fotovoltaikelement zur Halbleiterlage des Peltierelements.It can also be provided to make the ceiling support plate as thin as possible, in particular with a thickness of less than 0.25 mm. The small thickness allows good heat transfer from the photovoltaic element to the semiconductor layer of the Peltier element.
Vorzugsweise besteht die Deckenträgerplatte aus einem keramischen Material, wobei sich besonders keramische Werkstoffe mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Keramik auf Basis von Aluminiumnitrid oder Siliziumcarbid, eignen.Preferably, the ceiling support plate is made of a ceramic material, with particular ceramic materials with a high thermal conductivity, such as ceramics based on aluminum nitride or silicon carbide, are suitable.
In einer weiteren Ausgestaltung des Foto-Thermogenerators ist die Deckenelektrode des Peltierelements direkt mit dem Rückseitenelektrode des Fotovoltaikelements elektrisch leitend verbunden. Durch die direkte elektrische Verbindung der Elektroden der Halbleiterbauelemente kann ein elektrische Leiter vom Foto-Thermogenerator zur Steuerungs- und Regelungseinheit eingespart werden.In a further embodiment of the photo-thermal generator, the ceiling electrode of the Peltier element is electrically conductively connected directly to the rear-side electrode of the photovoltaic element. Due to the direct electrical connection of the electrodes of the semiconductor components, an electrical conductor can be saved from the photo-thermal generator to the control and regulation unit.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Halbleiterschicht des Fotovoltaikelements mit der Deckenträgerplatte des Peltierelements und/oder die Rückseitenelektrode des Fotovoltaikelements mit der Deckenträgerplatte des Peltierelements mittels einer dünnen Keramikklebeschicht auf Basis von Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid verbunden ist. Die stoffschlüssige Verbindung mit einem keramischen Material hoher Wärmeleitfähigkeit verbessert den Wärmeübergang an den Grenzflächen zwischen Peltier- und Fotovoltaikelement.Furthermore, provision may be made for the semiconductor layer of the photovoltaic element to be connected to the ceiling support plate of the Peltier element and / or the backside electrode of the photovoltaic element to be connected to the ceiling support plate of the Peltier element by means of a thin ceramic adhesive layer based on aluminum oxide and / or aluminum nitride. The cohesive connection with a ceramic material of high thermal conductivity improves the heat transfer at the interfaces between Peltier and Fotovoltaikelement.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
-
1 : den Foto-Thermogenerator in der Basisausführung in Perspektivansicht, -
2 : den Foto-Thermogenerator in der Basisausführung im Diagonalschnitt, -
3 : den Foto-Thermogenerator mit einem in die Deckenträgerplatte des Peltierelements eingesetzten Fotovoltaikelement in einer ersten Ausführung im Längsschnitt, und -
4 : den Foto-Thermogenerator mit einem in die Deckenträgerplatte des Peltierelements eingesetzten Fotovoltaikelement in einer zweiten Ausführung im Längsschnitt.
-
1 : the photo-thermal generator in the basic version in perspective view, -
2 : the photo-thermal generator in the basic version in diagonal section, -
3 : the photo-thermal generator with a photovoltaic element inserted into the ceiling support plate of the Peltier element in a first embodiment in longitudinal section, and -
4 : the photo-thermal generator with a photovoltaic element inserted into the ceiling support plate of the Peltier element in a second embodiment in longitudinal section.
Der Foto-Thermogenerator zur Umwandlung der Solarstrahlung
Das Peltierelement
Das Fotovoltaikelement
Die Rückseitenelektrode
Die Steuerungs- und Regelungseinheit
Der Foto-Thermogenerator der Basisausführung entsprechend der Diagonalschnittdarstellung in der
Die Ausführungen des Foto-Thermogenerator nach der
In der Ausführung nach der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fotovoltaikelementphotovoltaic element
- 1.11.1
- Frontelektrode des FotovoltaikelementFront electrode of the photovoltaic element
- 1.21.2
- Halbleiterschicht des FotovoltaikelementSemiconductor layer of the photovoltaic element
- 1.31.3
- Rückseitenelektrode des FotovoltaikelementRear side electrode of the photovoltaic element
- 22
- PeltierelementPeltier element
- 2.12.1
- Deckenträgerplatte des PeltierelementsCeiling support plate of the Peltier element
- 2.22.2
- Deckenelektrode des PeltierelementsCeiling electrode of the Peltier element
- 2.32.3
- Halbleiterlage des PeltierelementsSemiconductor layer of the Peltier element
- 2.42.4
- Bodenelektrode des PeltierelementsBottom electrode of the Peltier element
- 2.52.5
- Bodenträgerplatte des PeltierelementsBottom support plate of the Peltier element
- 33
- Steuerungs- und RegelungseinheitControl and regulation unit
- 44
- Schutzabdeckung, SchutzhülleProtective cover, protective cover
- 55
- elektrischer Leiterelectrical conductor
- 66
- Solarstrahlungsolar radiation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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