Anordnung und Verfahren zur Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Nutzung der Sonnenenergie.

Zur Gewinnung der Strahlungsenergie der Sonne sind aktuell zwei Prinzipien in massenhaftem Gebrauch. Dies ist zum Einen der Sonnenkollektor (Gewinnung thermischer Energie), bei dem die Sonnenstrahlung an schwarzen Flächen absorbiert, an ein flüssiges Transportmittel mit hoher Wärmekapazität (bevorzugt: Wasser) übertragen und in einem Pufferspeicher in Form von warmem bzw. heißen Wasser bis zur weiteren Verwendung gespeichert wird. Das andere gebräuchliche Prinzip ist die Photovoltaik (Gewinnung elektrischer Energie), bei der die Strahlung der Sonne eine Ladungstrennung in einem Halbleitermaterial bewirkt. Die durch diese Ladungstrennung, den „photoelektrischen Effekt" gewonnene elektrische Energie wird in Akkumulatoren gespeichert oder über Wechselrichter direkt in das Stromnetz eingespeist. Den genannten Prinzipien ist gemeinsam, dass sie nur bei Sonneneinstrahlung wirksam sind.

Bekannt ist auch der thermoelektrische Effekt. Dieses auch als Seebeck Effekt bekannte Phänomen besteht darin, dass Temperaturunterschiede aufgrund der unterschiedlichen Energieniveaus in verschiedenen Metallen oder Halbleitern eine Ladungstrennung bewirken können, die als Thermospannung messbar sind. Der thermoelektrische Effekt lässt sich auch umkehren, dergestalt, dass ein elektrischer Strom durch ein thermoelektrisches Element einen Temperaturunterschied hervorruft.

Technisch verwertet wird der thermoelektrische Effekt zur Temperaturmessung mittels sog. Thermoelemente. Die Umkehrung des Effekts, bei der ein elektrischer Strom eine Temperaturdifferenz hervorruft, wird technisch als Wärmepumpe genutzt und trägt nach ihrem Erfinder den Namen Peltier-Effekt. Obwohl als Wärmepumpe konzipiert und technisch als Kühlelement genutzt, können diese Peltier-

Elemente jedoch auch so genutzt werden, dass sie aus einer Temperaturdifferenz einen elektrischen Strom erzeugen.

Die eingangs beschriebenen Techniken zur Gewinnung von Sonnenenergie haben eine Reihe von Nachteilen. Zunächst einmal liegt es in der Natur der Sache, dass es Solarkollektoren nicht möglich ist Energie zu erzeugen, wenn keine Sonneneinstrahlung zu verzeichnen ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass einfallende Sonnenstrahlung nur solange ausgenutzt werden kann, solange die Flüssigkeit im Pufferspeicher (in der Regel Wasser) noch nicht auf seine maximale Temperatur aufgeheizt ist. In Zeiten, in denen kein Warmwasserverbrauch erfolgt (z.B. weil die Bewohner des Hauses verreist sind) und der Speicher vollständig mit Wärmeenergie aufgeladen ist, kann keine weitere Sonnenenergie gespeichert werden, denn das umlaufende Wasser, das den Kollektor aufgeheizt verlässt, kehrt vom vollständig mit heißem Wasser gefüllten Pufferspeicher mit einer genau so hohen Temperatur zurück. Die Sonnenenergie kann in dieser Situation nicht genutzt werden.

Auch Systeme der Photovoltaik weisen den Nachteil auf, dass Energiegewinnung nur in Zeiten mit Sonneneinstrahlung möglich ist und nachts keine Energie gewonnen werden kann. Ein spezifischer Nachteil photovoltaischer Systeme ist zudem, dass der Wirkungsgrad der Solarzellen sich bei hohen Temperaturen verschlechtert. Dies beruht darauf dass das Isolationsverhalten von Halbleitern mit steigender Temperatur schlechter wird. Der sinkende Innenwiderstand der Solarzelle ist also für die Energieausbeute schädlich.

Gerade aus dem zuletzt genannten Grund wird in jüngster Zeit auch von verschiedener Seite darüber nachgedacht, Solarkollektoren mit Sonnenzellen zu kombinieren. So werden Systeme geschaffen, die sowohl elektrische Energie gewinnen (Photovoltaik) als auch Wärme erzeugen (Sonnenkollektor). Die Systeme wirken dabei günstig zusammen, denn die Wärmesenke, die der Sonnenkollektor darstellt, wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad der Solarzelle aus, die bei niedrigeren Temperaturen eine bessere Solarstromausbeute liefert.

Es sind auch verschiedene Kombinationen eines Teils der oben genannten physikalischen Wirkprinzipien im Kontext der Nutzung der Sonnenenergie bekanntgeworden. Zum einschlägigen Stand der Technik wird hingewiesen auf JP 04 139 773 A, GB 2 384 113 A, DE 101 51 072 Al, US 2001/0 000 577 Al, GB 2 172 394 A, US 6 857 425 B2, DE 28 06 337 Al, WO 2004/070 281 Al, DE 32 18 970 C2. Der Stand der Technik vermag jedoch das Potential der Nutzung der Sonnenenergie unter verschiedenen Wetter- und Einsatzbedingungen noch nicht optimal zu nutzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung sowie ein verbessertes Verfahren zur Nutzung der Sonnenenergie bereitzustellen, wobei diese Anordnung und dieses Verfahren sich insbesondere durch eine höhere Energieausbeute und die Möglichkeit eine flexibleren Anpassung an unterschiedliche Witterungsbedingungen und Bedarfssituationen auszeichnen sollen.

Diese Aufgabe wird in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ihrem Verfahrensaspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegendstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken der Nutzung von thermoelektri- schen Wandlern zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie in Kombination mit einem fotoelektrischen Wandler sowie einem Solarkollektor oder einer vergleichbaren Einrichtung ein. Sie schließt weiter den Gedanken ein, diese - also solche bekannten - Wandlerelemente für diesen Zweck in geeigneter Weise auszugestalten. Auch das vorgeschlagene Verfahren fußt auf diesen überlegungen.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, heizt die Sonne 1 dabei mittels ihrer Strahlung 2 die „heiße" Seite 3 eines Peltier-Elements 4 auf. Die „heiße" Seite 3 ist geschwärzt, damit eine möglichst weit gehende Absorption der Strahlung erreicht wird. Beim Durchtritt des Wärmestroms durch das Peltier-Element 4 wird elektrische Energie erzeugt, die ähnlich wie bei einer Solarzelle mit Hilfe einer Lade-Wechselrichter-Elektronik 7 in einem Akkumulator 6 gespeichert, unmittelbar vor Ort genutzt oder in das Stromnetz 8 eingespeist werden kann.

Um die Gewinnung elektrischer Energie aufrecht zu erhalten, muss verhindert werden, dass sich die „kalte Seite" des Peltier-Elements 4 aufheizt; denn damit verringert sich die Temperaturdifferenz und mit ihr im Zusammenhang stehend auch der elektrische Strom, der erzeugt wird. Aus diesem Grund wird die der Sonne abgewandte kalte Seite des Peltier-Elements mit einer Wärmesenke 5 verbunden, die in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist, da hierfür verschiedene technische Ausführungen denkbar sind.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann diese Wärmesenke im einfachsten Fall aus einem Lamellenkühlkörper 5a bestehen, der die durch das Peltier-Element 4 geflossene Wärmeenergie, die auf der „heißen Seite" 3 absorbiert wurde, an die Umgebungsluft abführt. Durch diese Technik kann Luft (oder ggf. auch ein anderes geeignetes Gas oder auch eine Flüssigkeit) unmittelbar erwärmt und als Wärmeträger für einen Nutzungs-Kreislauf bereitgestellt werden, in welchem der Wärmeträger durch ein Gebläse bzw. Pumpen oder ggf. auch einfach durch Konvektion zu einem Verbrauchsort der gespeicherten Wärme transportiert wird. Auf diese Weise wird eine Solarkollektoranordnung in einem weiteren Sinne verwirklicht, wie dieser Begriff hier verstanden werden soll.

Fig. 3 zeigt eine Variante, in der der Wärmestrom aus dem Peltier-Element 4 dazu benutzt wird, um ein Speicherreservoir 5b aufzuheizen. Dies Speicherreservoir ist vorzugsweise ein Stoff, der eine große Wärmemenge aufzunehmen vermag. Hierfür in Frage kommen Stoffe mit hoher Wärmekapazität (wie z.B. Wasser) aber auch Stoffe, die eine reversible Phasenumwandlung oder Lösung/Auskristallisation oder thermisch initiierte chemische Reaktion durchmachen und dabei eine große Menge an Wärme aufnehmen, bzw. wieder angeben können. Stoffe dieser Art sind zum Beispiel Kerzenwachs und Stearin. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, soll die Wärme einerseits vom Peltier-Element abgeführt werden, damit dieses mit einer hohen Temperaturdifferenz arbeiten und möglichst viel elektrische Energie gewinnen kann. Andererseits soll die Wärme jedoch nicht in die Umwelt entweichen, sondern in geeigneter Form gespeichert werden. Daher ist das Wärmereservoir bevorzugt durch

eine Isolierung (in den Figuren nicht gezeichnet) gut gegen Wärmeverluste zu isolieren.

Die Speicherung der Wärme kann aus unterschiedlichen Gründen sehr vorteilhaft sein. Beispielsweise wird die Anordnung nach Fig. 3 die gespeicherte Wärmeenergie des Wärmereservoirs 5a in den Stunden ohne Sonneneinstrahlung wieder in die Kühle der Nacht entlassen, wobei diese beim Passieren des Peltier-Elements 4 erneut einen elektrischen Strom erzeugt. Bei fehlender Sonneneinstrahlung wechseln nun „heiße" und „kalte" Seite des Peltier-Elements ihre Position. Damit ist die dem Wärmereservoir zugewandte Seite des Peltier-Elements nun zur „heißen Seite" geworden, während die dem Himmel zugewandte Seite als „kalte Seite" fungiert. Mit der Umkehrung der Richtung des Wärmestroms kehrt sich selbstverständlich auch die Richtung des elektrischen Stroms um, den das Peltier-Element erzeugt, doch kann durch einen Gleichrichter (vorzugsweise Brückengleichrichter aus Shottky- Dioden mit niedriger Schwellenspannung) dafür gesorgt werden, dass die Speisung des Akkus bzw. des Wechselrichters polaritätsrichtig erfolgt.

Nutzt man die Erfindung entsprechend der Ausführung nach Fig. 3 mit einem direkt hinter dem Peltier-Element 4 angeordneten Wärmereservoir 5b, das beispielsweise ein hochschmelzendes Wachs enthält, so kann dieses tagsüber unter Aufnahme einer hohen Energiemenge geschmolzene Wachs, seine gespeicherte Energie in der Nacht wieder abgeben. So entsteht ein „Thermoelektrischer Sonnenkollektor", der nicht nur am Tage, sondern auch in der Nacht Strom zu erzeugen vermag!

In Verbindung mit einem größeren Warmwasserspeicher, wie er auch beim rein thermischen Sonnenkollektor angewandt wird, kann man entscheiden, die Wärme ganz oder teilweise als Wärmeenergie zu behalten (z.B. für ein Duschbad am Morgen) oder sie in der Nacht unter Gewinnung (thermo-)elektrischer Energie über die Peltier-Elemente abzugeben. Wie Fig. 4 zeigt, ist hier das mit einer Kreislaufflüssigkeit gefüllte Wärmereservoir 5c mit einem Warmwasserspeicher 9 verbunden. Eine Pumpe 10 lädt den Wasserspeicher 9 mit Warmwasser aus dem Wärmereservoir 5c auf.

In der gezeigten Anordnung verbessert die nächtliche Energieabgabe automatisch den thermischen Kollektoreffekt, denn das Kühlmittel hat am nächsten Morgen eine geringere Temperatur und kann wieder höhere Wärmemengen aufnehmen. Gerade in Zeiten, in denen keine Wärme abgenommen wird (z.B. bei Urlaubsreisen der Hausbewohner) ist der Wirkungsgrad rein thermischer Solarkollektoren nämlich schlecht, da das Kühlmittel bereits zu Beginn des Tages eine hohe Temperatur aufweist und kaum noch Wärme aufnehmen kann. In dieser Zeit ist es besonders sinnvoll, die Wärme unter erneuter Gewinnung thermoelektrischer Energie in der Nacht an die Umgebung abzugeben.

In den vorstehend beschriebenen Anordnungen erfolgt die mit einer Stromerzeugung verbundene Aufnahme von Wärme in das Reservoir und die - ebenfalls unter Stromerzeugung stattfindende - Wärmeabgabe am Tag bzw. in der Nacht, also . niemals gleichzeitig. Dies kann man ändern durch die Anordnung nach Fig. 5, bei der zwei Peltier-Elemente gleichzeitig arbeiten, von denen eines 4 mit seiner Kollektorfläche 3 die Sonnenstrahlung 2 empfängt, während das andere 11 eine Fläche zur Wärmeabstrahlung 2a aufweist. Auf diese Weise finden die Prozesse der Aufnahme von Energie und der Abgabe der Wärmeenergie gleichzeitig statt.

Einen weiteren Aspekt der Erfindung zeigt Fig. 6. Hier ist auf das Peltier-Element 4 direkt eine Solarzelle 3a aufgebracht, die ihrerseits elektrische Energie gewinnt und in die Lade- und Wechselrichterelektronik 7 einspeist. Von hier aus erfolgt die Speicherung in einem Akku 6 bzw. die Einleitung in das Stromnetz 8.

Es sind noch zahlreiche andere Anordnungen denkbar, z.B. solche , die eine „heat- pipe" zum Transport der Wärmeenergie benutzen. Hier erfolgt die Wärmeaufnahme durch Verdampfen einer Flüssigkeit, während an anderer Stelle die Wärme durch Kondensation des so gebildeten Dampfes zurückgewonnen wird.

Die erfindungsgemäße Kombination der verschiedenen Wirkprinzipien zur Nutzung der Sonnenenergie kann, je nach Einsatzzweck und dadurch bedingter Kostensituation, konstruktiv und steuerungstechnisch entweder in Low-Cost- oder in High-End- Lösungen realisiert werden. So kann einerseits eine Kombination aus einer Peltier-

Anordnung mit auf einer Seite aufgebundener Solarzellenanordnung und z.B. auf der anderen Seite (rückseitig) vorgesehener Solarkollektoranordnung auf komplexe Steuerungstechnik weitestgehend verzichten und die nach Intensität der Sonneneinstrahlung . variierende Energieausbeute aus den verschiedenen Nutzungsprinzipien "nach Anfall" bereitgestellt werden. In einer weiteren Ausführung ist es möglich, mit der in der Solarzellen-Komponente und/oder der thermoelektrischen Komponente gewonnenen elektrischen Energie einen autarken Kreislauf eines Wärme- träger-Fluids der Solarkollektor-Komponente zu realisieren und lediglich überschüssige elektrische Energie an externe Verbraucher und/oder Elektroenergiespeicher abzugeben. Auf diese Weise ließe sich beispielsweise ein "Null-Energie-Haus" realisieren, dessen Energiehaushalt weitgehend mit Solarenergie bestritten wird.

In einem komplexeren Verbundsystem kann eine die jeweilige Energieausbeute der einzelnen Komponenten (in Abhängigkeit von den Belichtungs- und Temperaturverhältnissen) berücksichtigende individuelle Betriebssteuerung der Komponenten zur Optimierung der Gesamt-Energieausbeute vorgesehen sein. Ein entsprechendes Steuersystem wird etwa derart ausgestaltet sein, dass der Transport des Wärme- träger-Fluids in Abhängigkeit von den Umgebungstemperaturen und dem Wärmebedarf an einem Verbrauchsort gesteuert wird, wobei die Abhängigkeit der Leistungsausbeute der Peltier-Komponente vom Wärme-Abtransport bei der Steuerung der elektrischen Energieerzeugung durch die Solarzellen- und die Peltier-Komponente zu berücksichtigen ist.

Unter Konstruktions-Gesichtspunkten sind Ausführungen mit unterschiedlicher Stapelung der Komponenten in Bezug auf die Richtung der Sonneneinstrahlung möglich. Neben der bereits erwähnten Führung eines Wärmeträgerfluids auf der Rückseite der Peltier-Komponente und der Platzierung einer Solarzellen-Anordnung auf deren Vorderseite kann etwa auch die Platzierung einer Solarkollektor-Komponente auf der Oberfläche einer Solarzellen-Komponente möglich sein, auf deren Rückseite die Peltier-Komponente angeordnet ist. Eine solche Anordnung setzt eine hochgradig transparente Ausführung der Solarkollektor-Komponente voraus, macht sich aber vorteilhaft die hohe Wärmeabsorption durch die Oberfläche der Solarzellen an ihrer Rückseite zu nutze.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und genannten Aspekte beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.