DE19718246A1 - Hybrid solar cell simultaneously producing electric current and usable heat - Google Patents
Hybrid solar cell simultaneously producing electric current and usable heatInfo
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Abstract
Description
Die Gewinnung, Speicherung und multiple Nutzung regenerativer Energien besitzt zunehmende Bedeutung. Alternativen, die sich mit der Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrischen Strom und zugleich nutzbarer Wärme beschäftigen, sind sehr zahlreich. Vorteilhaft an diesen Lösungskombinationen ist deren Umwelt verträglichkeit.The extraction, storage and multiple use of regenerative Energy is of increasing importance. Alternatives that stand out with the conversion of radiation energy into electrical current and at the same time employ usable heat are very numerous. The advantage of these solution combinations is their environment compatibility.
Allgemein bekannt ist, daß die günstigste Variante der Konstru ktion in der Kombination einer Solar- mit einer Kollektoreinheit besteht. Zum Zwecke der Leistungssteigerung der Solareinheiten wird in derartigen Anlagen das Wärmeleitmedium zugleich als Kühlmittel und Absorbens eingesetzt.It is generally known that the cheapest variant of the construct tion in the combination of a solar and a collector unit consists. For the purpose of increasing the performance of the solar units is in such systems, the heat transfer medium at the same time as Coolant and absorbent used.
Gemäß DE 43 07 691 ist eine derartig aufgebaute Hybridanlage zur Steigerung der Wirksamkeit einer elektrochemischen Solarzelle beschrieben. Strom- und Wärmeerzeugung erfolgen in einem Aggregat. Zur besseren Nutzung des Einstrahlungsbereiches der Sonne ist ei nem plattenförmigen Wärme-/Stromableiter ein Akzeptor zur Absorb tion der Strahlungsenergie aufgetragen. Zur Erweiterung des nutz baren Wellenlängenanteils wird dieser Akzeptor von einem (nicht näher angegebenen) organischen Farbstoff umspühlt. Während in die ser Konstruktion der elektrische Strom direkt abgeleitet werden kann, erfolgt für die Wärmegewinnung über den Weg des Wärme leiters und des Wärmetauschers eine zweimalige Energieumwandlung.According to DE 43 07 691, such a hybrid system is designed for Increasing the effectiveness of an electrochemical solar cell described. Electricity and heat are generated in one unit. For better use of the sun's irradiation area, ei Nem plate-shaped heat / current arrester an acceptor for the absorb tion of radiation energy applied. To expand the useful of this wavelength, this acceptor is replaced by a (not washed) organic dye. While in the This construction of the electrical current can be derived directly can be done for heat generation via the path of heat conductor and the heat exchanger a two-time energy conversion.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe, die zwangsläufig auf tretenden Energieverluste entscheidend zu reduzieren, schlägt der Erfinder eine neuartig aufgebaute Hybridsolaranlage und die Verwendung eines speziellen Wärmeleitträgers vor.To solve the problem of the invention, which inevitably to significantly reduce occurring energy losses the inventor developed a new hybrid solar system and the Use of a special heat transfer medium.
Die Konstruktion berücksichtigt die vorteilhafte Kühlung der So lareinheiten und benutzt als Wärmeleitflüssigkeit ein Gemisch, welches im Betrieb der Anlage keinen hohen Dampfdruck, eine für unsere Breitengrade ausreichende Erstarrungstemperatur sowie eine Erweiterung des nutzbaren Strahlenanteils zur Wärmeenergie gewinnung ermöglicht.The construction takes into account the advantageous cooling of the sun lar units and uses a mixture as the heat-conducting liquid, which does not have a high vapor pressure during operation of the system, a solidification temperature sufficient for our latitudes as well an expansion of the usable radiation component to heat energy extraction possible.
Die angegebenen Ausführungen zur Erfindung machen deutlich, daß die Größe der Hybridsolaranlage sehr variabel zu gestalten ist und der Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zu schon beschriebenen Anlagen vergleichbarer Aufgabenstellung wesentlich verbessert wurde.The statements made regarding the invention make it clear that the size of the hybrid solar system can be made very variable and the overall efficiency compared to those already described Plants with comparable tasks significantly improved has been.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den nachfolgenden Be schreibungen, den Patentansprüchen und durch die Zeichnungen erläutert bzw. dargestellt.Further features of the invention are in the following Be descriptions, the claims and through the drawings explained or illustrated.
Es verdeutlichen:To make it clear:
Fig. 1 eine Gesamtansicht der Solarhybridanlage, Fig. 1 is an overall view of the solar hybrid plant,
Fig. 2 und 3 Querschnittdarstellungen der Gesamtanlage mit Andeutung der Fließrichtung der Wärmeleitträgerflüssigkeit, Figs. 2 and 3 are cross-sectional views of the entire system with indication of the flow direction of the Wärmeleitträgerflüssigkeit,
Fig. 4-7 Meßergebnisse einer Versuchsanlage. Fig. 4-7 Measurement results of a test facility.
Die flach quaderförmig gehaltene Konstruktion (Fig. 1) besteht aus 2 miteinander verbundenen Baueinheiten. Im oberen Teil hinterspült der Wärmeträger 1 (nach dem Wärmeaustausch im Wärmetauscher) im gekühlten Zustand die Aluminiumplatte 3, auf die, gut wärmeleitend, die Solarzellen 4 aufgeklebt sind. Durch die Installation der Solarzellen im Anschluß an den Zulauf 5 wird eine Kühlung der Solarplatten erreicht. Deren Wirkungs grad erhöht sich um etwa 15%.The flat cuboid structure ( Fig. 1) consists of 2 interconnected units. In the upper part, the heat transfer medium 1 (after the heat exchange in the heat exchanger) rinses the aluminum plate 3 in the cooled state, onto which the solar cells 4 are glued, with good heat conductivity. The solar panels are cooled by installing the solar cells following inlet 5 . Their efficiency increases by around 15%.
Nach Durchfluß des Solarteiles wird die Wärmeträgerflüssigkeit durch einen mit Bohrungen 6 versehenen Abstandshalter 7 in den Kollektor überführt. Dieses Zwischenstück dient, wie in den Abb. 2 und 3 verdeutlicht, gleichzeitig als Isolier stück zwischen Solar- und Kollektorelement.After flowing through the solar part, the heat transfer fluid is transferred into the collector through a spacer 7 provided with holes 6 . This intermediate piece serves, as shown in Figs. 2 and 3, at the same time as an insulating piece between the solar and collector element.
Für den Kollektor wird sowohl eine wärmedämmende Innenisolie rung als auch eine Schwärzung des Hintergrundes zur Aufnahme vor allem kurzwelliger Strahlung empfohlen.For the collector there is both a heat-insulating interior insulation as well as a blackening of the background for recording especially recommended for short-wave radiation.
Die dem Sonnenlicht zugewandte Seite ist mit einer Glasplatte 2 abgedeckt. Hiermit wird der Durchtritt von Wellenlängen im sichtbaren Bereich zwischen 400-800 nm gewährleistet. Entsprechend der erfindungsgemäßen Problemstellung stellt die folgende Lösung zur Wandlung und Nutzung dieser Energien das Hauptverfahren zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Kombi nationsanlage dar.The side facing the sunlight is covered with a glass plate 2 . This ensures the passage of wavelengths in the visible range between 400-800 nm. According to the problem according to the invention, the following solution for converting and using these energies is the main method for increasing the efficiency of a combination system.
Die Voraussetzung zur Wandlung dieser Energieanteile in nutz bare Wärme ist der Einsatz photoaktiver Blattpigmente im Wärme leitträger. In einem durch Blattextraktion gewonnenen Gemisch aus Chlorophyllen, Xanthophyllen und Carotinoiden stehen dem dem System frei bewegliche Pi-Elektronen, welche im angegebenen Spektrum innerhalb der Moleküle durch Absorption vom HOMO- in den LUMO-Zustand wechseln können, zur Verfügung. In ihrer Rekonstellation geben sie gespeicherte Strahlungsenergie zu großen Teilen als Wärme an die Umgebung ab.The prerequisite for converting these energy components into usable Bare heat is the use of photoactive leaf pigments in heat leader. In a mixture obtained by leaf extraction from chlorophylls, xanthophylls and carotenoids freely moving pi-electrons, which are Spectrum within the molecules by absorption from the HOMO- in can change the LUMO state. In your Reconstellation they give stored radiation energy too large Divide as heat from the environment.
Die Wärmeleitflüssigkeit erwärmt sich infolge zusätzlich. Die Messungen in Fig. 4 belegen, daß bei gleicher Einstrahlung gleiche Volumina herkömmlicher Mittel im Vergleich zu der photoaktiven Lösung langsamer erwärmt werden. Eine ermittelte schnellere Energieabgabe im Wärmetauscher (Strahlungsquelle abgeschaltet) ist zudem derart effizient, daß die im Verhältnis zum Wasser etwas geringere Wärmekapazität (∼0,8) in einer betriebenen Anlage keinen Nachteil darstellt.As a result, the heat-conducting liquid also heats up. The measurements in FIG. 4 show that with the same irradiation, the same volumes of conventional agents are heated more slowly compared to the photoactive solution. A determined faster energy output in the heat exchanger (radiation source switched off) is also so efficient that the somewhat lower heat capacity (∼0.8) in relation to water does not represent a disadvantage in an operated system.
Das verwendete Lösungsmittel muß auf Grund des Molekülbaus der eingesetzten Absorbentien organischen Ursprungs sein. Im Zu sammenhang mit den oben aufgeführten erforderlichen Eigenschaften der Wärmeleitträgerflüssigkeit erfüllt Hexan-1-ol diese Anfor derungen. The solvent used must be due to the molecular structure of the absorbents used are of organic origin. In the zu related to the required properties listed above the heat transfer fluid meets hexan-1-ol this requirement changes.
Mittels einer hohen Konzentration der beigesetzten Blattpigmente wird eine deutlich bessere Energieausbeute realisiert, da die Absorptionsfähigkeit des Gemisches, wie in Fig. 5 nachgewiesen, mit der Konzentration korrelliert.By means of a high concentration of the added leaf pigments, a significantly better energy yield is realized, since the absorption capacity of the mixture correlates with the concentration, as shown in FIG. 5.
Die in den Betriebsphasen bzw. im Jahresverlauf auftretenden Tempe raturschwankungen beeinträchtigen die Absorptionsfähigkeit des Ge misches zumindest im Bereich von -6°C bis ca. 90°C nicht. Die dar gestellten Meßergebnisse in Fig. 6 veranschaulichen, daß die im Wärmeleitträgergemisch enthaltenen Substanzen innerhalb des ange gebenen Temperaturbereiches keine prozentualen Umwandlungsverluste aufweisen. Auch mehrmaliges Abkühlen auf -6°C und anschließendes Erhitzen auf ca. 90°C beeinträchtigt das Hexan-1-ol/Pigment- Gemisch in dessen Absorptionsverhalten nicht wesentlich (Fig. 7).The temperature fluctuations occurring in the operating phases or during the course of the year do not impair the absorption capacity of the mixture, at least in the range from -6 ° C to approx. 90 ° C. The measurement results shown in Fig. 6 illustrate that the substances contained in the heat transfer mixture within the specified temperature range have no percentage conversion losses. Repeated cooling to -6 ° C and subsequent heating to approx. 90 ° C does not significantly impair the absorption behavior of the hexan-1-ol / pigment mixture ( FIG. 7).
Im Sinne der erfindungsgemäßen Aufgabe wird das Hexan-1-ol/Pig ment-Gemisch nach Aufnahme der Energien im Kollektor über den Rücklauf 8 dem Wärmeaustauscher zugeführt. Von dort strömt es erneut in Pfeilrichtung über den Zufluß 5 zur Kühlung in das Solarelement.For the purpose of the object of the invention, the hexan-1-ol / pigment mixture is fed to the heat exchanger after the energies have been absorbed in the collector via the return line 8 . From there it flows again in the direction of the arrow via the inflow 5 for cooling in the solar element.
Für den zu benutzenden Neigungswinkel der Gesamtanlage wird eine Größe von 57° vorgeschlagen. Dieser Winkel entspricht der ermit telten durchschnittlichen Kronenneigung einheimischer Coniferen.For the angle of inclination of the entire system to be used, a Proposed size of 57 °. This angle corresponds to the ermit average crown slope of native conifers.
Claims (5)
Priority Applications (1)
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| DE19718246A DE19718246A1 (en) | 1997-05-05 | 1997-05-05 | Hybrid solar cell simultaneously producing electric current and usable heat |
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Publications (1)
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Country Status (1)
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- 1997-05-05 DE DE19718246A patent/DE19718246A1/en not_active Withdrawn
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