Die Erfindung betrifft eine autonome Energieanlage zur Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie; sie eignet sich insbesondere für den Einsatz in uner- schlossenen Gebieten ohne Netzinfrastruktur.

Allgemein bekannt ist die Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie durch Ausnutzung des fotoelektrischen Effektes mittels Fotovoltaikelementen sowie des Seebeck-Effektes mittels Peltierelementen bzw. Thermogeneratoren. Auch kom- binierte Fotovoltaik-Thermogeneratorsysteme, u. a. beschrieben in

DE 10 201 1 051 507 A1 beschrieben, sind geläufig.

Problematisch - wie bei den meisten regenerativen Energiesystemen - ist die Un- gleichmäßigkeit der abgegeben bzw. nutzbaren elektrische Leistung aufgrund der natürlichen, tageszeitbedingten Schwankungen der Solarstrahlung - aber auch infolge von Effekten, wie dem als„Voltage-Drop" bekannten Phänomen des Leistungseinbruches nach starker Aufheizung von Fotovoltaikelementen.

Zur Pufferung der elektrischen Energie ist es zwar möglich, die solaren Energieanla- gen mit Akkumulatoren, also herkömmlichen wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeichern, zu koppeln; effiziente, langlebige Akkumulatoren sind jedoch häufig so kostenintensiv, dass sich deren Verwendung im Bereich Energieanlagenbau bislang nicht flächendeckend durchgesetzt hat. Aufgabe der Erfindung ist es, eine autonome Energieanlage zur dezentralen Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie mit einem kostengünstigen Energiespeicher bereitzustellen, die es ermöglicht, auch bei zeitlich schwankender Intensität der Solarstrahlung ein weitgehend gleichmäßiges Erzeugungsprofil der abgegebenen elektrischen Leistung zu gewährleisten.

Die Aufgabe wird durch die autonome Energieanlage mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 12 beschrieben. Nach Maßgabe der Erfindung weist die autonome Energieanlage wenigstens drei Module, nämlich jeweils mindestens ein Basis-Fotovoltaikmodul, eine kombiniertes Fotovoltaik-Thermogeneratormodul und eine Thermogeneratorspeicherzelle auf, die jeweils separat mittels Strom- und Datenleitungen mit einer Steuer- und Regelungseinheit vernetzt sind. Die Steuer- und Regelungseinheit dient zur Regulierung von Leistungsspitzen und Leistungstälern der einzelnen Module sowie deren Baueinheiten. Das Basis-Fotovoltaikmodul umfasst ein Basis-Fotovoltaikelement, das kombiniertes Fotovoltaik-Thermogeneratormodul ein Kombi-Fotovoltaikelement sowie ein Kombi- Peltierelement und schließlich die Thermogeneratorspeicherzelle ein Speicherzellen- Peltierelement. Zur Unterscheidung der Fotovoltaik- und Peltierelemente der unterschiedlichen Module der Energieanlage werden jeweils die Vorsilben„Basis-",„Kombi-" sowie„Speicherzellen-" verwendet. Die Vorsilben beschränken die Funktionalität der jeweiligen Elemente nicht; sie dienen lediglich der Zuordnung und Unterscheidung. Das Speicherzellen-Peltierelement weist eine erste und eine zweiten Thermokontakt- fläche auf. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ist die erste Thermokontaktfläche während der Tagzeit in Richtung der Sonne ausgerichtet, sodass die erste Thermokontaktfläche durch die Solarstrahlung direkt oder auch indirekt erwärmt wird. Die zweite Thermokontaktfläche befindet sich auf der der ersten Thermokontaktfläche gegenüberliegenden Seite des Speicherzellen-Peltierelements. Sie ist erfindungsgemäß mit einem Wärmeleitkörper aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, zum Beispiel einem metallischen Werkstoff, thermisch kontaktierend verbunden. Besonders geeignete Wärmeleitkörperwerkstoffe sind Aluminium - oder Kupferlegierungen.

Die Thermogeneratorspeicherzelle besitzt weiterhin einen einseitig offenen, mit einem Wärmespeichermaterial gefüllten Wärmeisolierbehälter auf. Der Wärmeleitkör- per ist in das Wärmespeichermaterial im Wärmeisolierbehälter eingebettet, wodurch Wärmespeichermaterial und Wärmeleitkörper in direktem Kontakt stehen.

Die Wandungen des Wärmeisolierbehälters bestehen aus einem thermisch isolieren- den Material, zum Beispiel einer Keramik. Alternativ können sie in allgemein bekannter Weise thermisch isolierend konstruiert sein, zum Beispiel doppelwandig.

Der Wärmeisolierbehälter kann zum Beispiel als quaderförmiger, nach oben offener Kasten ausgeführt sein, in den der Wärmeleitkörper mit dem auf seiner Oberseite angebrachten Speicherzellen-Peltierelement eingesetzt ist.

Das Speicherzellen-Peltierelement ist im Bereich der Öffnung des Wärmeisolierbehälters angeordnet, wobei die erste Thermokontaktfläche nach außen, d. h., bei bestimmungsgemäßem Betrieb in Richtung der Sonne, gerichtet ist.

Die erste Thermokontaktfläche des Speicherzellen-Peltierelements befindet sich stets außerhalb des Wärmespeichermaterials. Das Peltierelement darf lediglich in den unmittelbar an die zweite Thermokontaktfläche angrenzenden, seitlichen Bereichen mit dem Wärmespeichermaterial kontaktiert sein.

Die Öffnung des Isolierbehälters kann mit einer Abdeckung verschlossen sein, die im Bereich des Peltierelements eine Aussparung aufweist oder für Wärmestrahlung durchlässig ist. Zudem ist es möglich, eine für Wärmestrahlen durchlässige Abdeckung, zum Beispiel aus einem wärmeleitfähigen Material, auf der ersten Thermo- kontaktfläche des Speicherzellen-Peltierelements anzubringen.

Einer der Vorteile der autonomen Energieanlage ist, dass mittels der Steuer- und Reglungseinheit Leistungsspitzen und Leistungstäler der einzelnen Module und Bauelemente untereinander ausgeglichen werden und somit ein weitgehend gleichmäßi- ges Erzeugungsprofil der abgegebenen elektrischen Leistung vorliegt.

Leistungstäler des Basis-Fotovoltaikmoduls und des kombinierten Fotovoltaik- Thermogeneratormoduls während des Nachtbetriebes werden erfindungsgemäß durch die Thermogeneratorspeicherzelle ausgeglichen. Die Thermogeneratorspeicherzelle wird während der Tagzeit einfallender Solarstrahlung ausgesetzt. Die erste Therm okontaktf läche des Speicherzellen-Peltierelements heizt sich auf und es baut sich ein Temperaturgradient zwischen der ersten, sich aufheizenden Thermokontaktfläche und der zweiten, kühleren Thermokontaktfläche auf. Dies wiederum führt zur Ausbildung eines Wärmeflusses von der ersten Thermokontaktfläche hin zur zweiten Thermokontaktfläche, der im Peltierelement in elektrischen Strom gewandelt und als nutzbare Energie abgeführt wird. Während dieser solarstrahlungsbedingten Aufheizperiode erhöht sich die Temperatur der zweiten Thermokontaktfläche und es entsteht ein Temperaturgradient zwischen dieser und dem mit ihr über den Wärmeleitkörper in thermischen Kontakt stehenden Wärmespeichermaterial. Wärme strömt von der zweiten Thermokontaktfläche zum Wärmespeichermaterial und heizt dieses auf. Die Speicherung der Wärme erfolgt im Wärmespeichermaterial als innere Energie.

Die Thermogeneratorspeicherzelle wird in der nachfolgenden Nachtzeit, also nach Sonnenuntergang, weiterhin, üblicherweise ortsunverändert, einer im Vergleich zum Tag kühleren Umgebungsatmosphäre ausgesetzt. Die Temperatur der ersten Ther- m okontaktf läche des Speicherzellen-Peltierelements sinkt infolgedessen. Da die zweite Thermokontaktfläche mit dem während der Tagzeit aufgeheizten Wärmespeichermaterial in thermischen Kontakt steht, ist die Temperatur an der zweiten Thermokontaktfläche des Speicherzellen-Peltierelements - nach genügender Außenkühlung - höher als die der ersten Thermokontaktfläche. Es entsteht wiederum ein nun- mehr negativer Thermogradient zwischen erster und zweiter Thermokontaktfläche mit einem Temperaturgefälle, dass dem während der Aufheizperiode entgegengerichtet ist. Der sich ausbildende Wärmestrom wird im Speicherzellen-Peltierelement in elektrischen Strom gewandelt und als nutzbare Energie abgeführt. Durch den Wärmestrom vom Wärmespeichermaterial über den Wärmeleitkörper, die zweite und die erste Thermokontaktfläche des Speicherzellen-Peltierelements hin zur Umgebungsatmosphäre kühlt sich das Wärmespeichermaterial während dieser nächtlichen Abkühlperiode ab. Abschließend kommt es zum Temperaturausgleich, d. h., die Temperatur des Wärmespeichermaterials entspricht der Temperatur der Umgebungsatmosphäre.

Mit Beginn der folgenden Tagzeit kann der beschriebene Verfahrensablauf erneut gestartet werden; dies gestattet einen kontinuierlicher Betrieb der Thermogeneratorspeicherzelle mit selbstaufladendem Energiespeicher; zudem werden im Basis- Fotovoltaikmodul und im kombinierten Fotovoltaik-Thermogeneratormodul gleichzeitig elektrische Energie erzeugt. Die Zwischenspeicherung der thermischen Energie während der Tagzeit im Wärmespeichermaterial ermöglicht es, die gespeicherte Energie während der folgenden Nachtzeit zur Strom Produktion zu nutzen.

Ein weiterer Vorteil der autonomen Energieanlage ist, dass der Leistungseinbruch der Basis- und der Kombi-Fotovoltaikelemente infolge der Erwärmung bei sehr starker Solarstrahlung durch eine erhöhte elektrische Energiewandlung in den vernetzten Peltierelementen ausgeglichen werden kann. Zweckmäßigerweise sind die Anzahl und Größe der Peltierelemente, insbesondere die der Kombi-Peltierelemente, so gewählt, dass diese gerade ausreichen, den durch die Erwärmung der Fotovoltaikele- mente bedingten, für den jeweiligen Standort spezifischen Leistungseinbruch zu kompensieren.

Die Anlage eignet sich infolgedessen besonders für den dezentralen Einsatz in geo- grafischen Lagen mit stark wechselnder Intensität der Solarstrahlung und ausgepräg- ten Temperaturdifferenzen zwischen Tag- und Nachtzeit, beispielsweise in uner- schlossenen Wüstengebieten von Entwicklungs- und Schwellenländern.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuer- und Regelungseinheit mit einem Akkumulator zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie verbunden sein. Die Anwendung von Akkumulatoren verbessert insbesondere den Kurzzeitausgleich von elektrischen Leistungsschwankungen.

Das Wärmespeichermaterial der Thermogeneratorspeicherzelle ist vorzugsweise ein formunbeständiges und volumenbeständiges Material, d. h. zum Beispiel eine Flüs- sigkeit, ein Granulat oder ein Gemisch derselben. Formunbeständige Materialien besitzen den Vorteil, dass sie den Raum zwischen Wärmeisolierbehälter und Wärmeleitkörper vollständig ausfüllen. Die große Kontaktfläche zwischen Wärmeleitkörper und Wärmespeichermaterial gewährleistet einen intensiven Wärmeübergang. Be- sonders geeignet ist Wasser als Wärmespeichermaterial, da es eine hohe Wärmekapazität besitzt; zudem kann es kostengünstig ausgetauscht oder nachgefüllt werden.

Granulate oder Gemische aus Granulaten und Flüssigkeiten besitzen den Vorteil, dass sich ein definierter, gleichbleibender Abstand zwischen dem Wärmeleitkörper und dem Wärmeisolierbehälter innerhalb der Thermogeneratorspeicherzelle einstellen lässt. Die Granulate können als körnige Materialien, zum Beispiel Sand, oder als pulverförmige Materialien, wie Gesteinsmehl, vorliegen. Durch Verwendung von Mischungen aus Granulaten und Flüssigkeiten ist neben einem stabilen Abstand vom Wärmeleitkörper zum Wärmeisolierbehälter durch die Granulatkomponente ein besonders intensiver Wärmeübergang durch die Flüssigkeitskomponente gewährleistet. Besonders vorteilhaft als Energiespeichermaterial sind Mischungen aus porösen Granulaten, zum Beispiel auf Basis von Bentonit oder Zeolith, und Wasser, da Wärme auch latent als Adsorptionswärme gespeichert werden kann.

Das Wärmespeichermaterial ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein Pha- senwechselmaterial mit einem Phasenwechsel im Temperaturbereich von 10 °C bis 50 °C. Der Vorteil des Phasenwechselmaterials besteht darin, dass infolge der partiellen Wärmespeicherung als latente Wärme die Speicherkapazität des Wärmespeichermaterials deutlich erhöht wird. Ein solches Phasenwechselmaterial kann beispielsweise im hohen Temperaturbereich als Flüssigkeit und im niedrigeren Temperaturbereich als Feststoff vorliegen.

Vorteilhafterweise ist der Wärmeleitkörper formschlüssig in die Öffnung des Wärmeisolierbehälters eingebracht, sodass der Wärmeisolierbehälter durch den eingesetzten Wärmeleitkörper und das darauf angebrachte Peltierelement weitestgehend verschlossen ist. Wärmeströme in oder aus dem Wärmeisolierbehälter erfolgen im We- sentlichen über das Speicherzellen-Peltierelement; Verlustwärmeströme werden vermieden bzw. verringert. Zudem wird das Austreten des Wärmespeichermaterials, zum Beispiel beim Transport der Thermogeneratorspeicherzelle, verhindert. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeleitkörper ein Metallschaum. Die große spezifische Oberfläche der Metallschäume und die daraus resultierende große Kontaktfläche zum Wärmespeichermaterial ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung. Besonders geeignet sind offenporige Metallschäume, da diese in einer Thermogeneratorspeicherzelle mit flüssigem Wärmespeichermaterial vollständig durchdrungen sind, sodass der Wärmeübergang auch über die inneren Oberflächen des Metallschaums stattfindet.

Es kann vorgesehen sein, dass die Thermogeneratorspeicherzelle ein Speicherzel- len-Fotovoltaikelement aufweist, welches thermisch kontaktierend mit der ersten Thermokontaktfläche des Speicherzellen-Peltierelements verbunden ist; das Spei- cherzellen-Fotovoltaikelements ist separat mit der Steuer- und Regelungseinheit verbunden.

In einer Ausgestaltung sind das oder die Basis-Fotovoltaikelemente des Basis- Fotovoltaikmoduls thermisch kontaktierend auf einem Schwimmkörper angebracht. Der Schwimmkörper besteht aus einem metallischen Werkstoff, zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierungen, einer Titanlegierungen oder einer anderen Leichtmetalllegierung. Er weist einen wasserdichten Sandwichaufbau vorzugsweise mit einer Deckplatte, einer Bodenplatte und einer zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur auf. Die Dünnblechstruktur kann zum Beispiel eine Wellblechstruktur, eine Honigwabenstruktur, ein geschlossenporiger Metallschaum oder eine Faltwabenstruktur sein. Innerhalb des Sandwichaufbaus sind ein oder mehrere abgeschlossene Hohlräume ausgebildet, die von den Wänden der Dünnblechstruktur, der Bodenplatte und/oder der Deckplatte umschlossen sind.

Die Energieanlage kann einen oder mehrere Solarstrahlungssensoren besitzen, mittels derer der Momentanwert der globalen Solarstrahlung, d. h. der Intensität der gesamten direkten und diffusen Solarstrahlung, erfassbar ist. Sie sind jeweils mit der Steuer- und Regelungseinheit durch Strom- und Datenleitungen verbunden. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kombi-Peltierelement des kombinierten Fotovoltaik-Thermogeneratormoduls flächig thermisch kontaktierend am Kombi- Fotovoltaikelement angebracht ist, wobei das Kombi-Peltierelement und das Kombi- Fotovoltaikelement unabhängig voneinander durch Strom- und Datenleitungen mit der Steuer- und Regelungseinheit verbunden sind. Dies ermöglicht die gezielte Steuerung des Kombi-Peltierelements zum Heizen oder Kühlen des Kombi- Fotovoltaikelements, sodass dieses in einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden kann.

In einer Ausführung der Energieanlage mit einem solchen kombinierten Fotovoltaik- Thermogeneratormodul ist ein durch Strom- und Datenleitungen mit der Steuer- und Regelungseinheit verbundener Temperatursensor am Kombi-Fotovoltaikelement zur Bestimmung von dessen Ist-Temperatur angebracht. Die Steuer- und Regelungsein- heit ist derart eingerichtet, aus einer hinterlegten Temperaturcharakteristik, der Ist- Temperatur und dem Momentanwert der globalen Solarstrahlung eine Soll- Temperatur des Kombi-Fotovoltaikelements zu bestimmen und das Kombi- Peltierelement als Wärmepumpe zum wahlweisen Heizen oder Kühlen des Kombi- Fotovoltaikelements zu betreiben.

Weiterhin kann das kombinierte Fotovoltaik-Thermogeneratormodul einen Kühlkörper besitzen, der flächig thermisch kontaktierend an der dem Kombi-Fotovoltaikelement gegenüberliegenden Kontaktfläche des Kombi-Peltierelements angebracht ist. Der Kühlkörper kann wiederum schwimmfähig ausgeführt sein, wobei der Kühlkörper aus einem metallischen Werkstoff besteht und einen wasserdichten Sandwichaufbau besitzt. In der Ausführung mit schwimmfähigen Kühlkörper ist das kombinierte Foto- voltaik-Thermogeneratormodul so austariert ist, das sich das Kombi- Fotovoltaikelement im schwimmenden Zustand stets oberhalb der Wasseroberfläche befindet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dazu zeigt die Figur die Schemaskizze der autonomen Energieanlage in partiell perspektivischer Ansicht. Die Steuerungs- und Regelungseinheit 5 vernetzt die Module der Energieanlage, nämlich das Basis-Fotovoltaikmodul 1 , das kombinierte Fotovoltaik- Thermogeneratormodul 2 und die Thermogeneratorspeicherzelle 3, mittels der Strom- und Datenleitungen 7 und reguliert die Leistungsabgabe der aus der einfallenden Solarstrahlung 8 gewandelten elektrischen Energie an der Gleichstrom- Abnahmestelle 6.

Die Intensität der einfallenden globalen Solarstrahlung 8 ist mittels dem durch die Strom- und Datenleitungen 7 mit der Steuerungs- und Regelungseinheit 5 verbundenen Solarstrahlungssensor 9 ermittelbar.

Weitere der Strom- und Datenleitungen 7 verbinden den Akkumulator 4 mit der Steuerungs- und Regelungseinheit 5.

Das Basis-Fotovoltaikmodul 1 besitzt den wasserdichten Schwimmkörper 1 .2 auf dem das Basis-Fotovoltaikelement 1 .1 flächig thermisch kontaktierend angebracht ist. Der dreiteilige Schwimmkörper 1 .2 selbst besteht aus einer Deckplatte, einer Bodenplatte und der dazwischen befindlichen Dünnblech-Honigwaben-Struktur (jeweils ohne Bezugszeichen).

Bei schwimmenden Betrieb in Gewässern befindet das Basis-Fotovoltaikmodul 1 mit dem oberen Teil des Schwimmkörpers 1.2 und dem Basis-Fotovoltaikelement 1 .1 oberhalb der Wasseroberfläche 10.

Das Kombi-Peltierelement 2.2 und das Kombi-Fotovoltaikelement 2.1 des kombinierten Fotovoltaik-Thermogeneratormoduls 2 sind mit jeweils separaten Strom- und Datenleitungen 7 mit der Steuerungs- und Regelungseinheit 5 verbunden. Eine weitere Strom- und Datenleitung 7 führt zu dem am Kombi-Fotovoltaikelement 2.1 ange- brachten Temperatursensor 2.4.

Das Kombi-Peltierelements 2.2 steht an seiner der Solarstrahlung abgewandten Fläche in thermischen Kontakt mit dem hieran befestigten Kühlkörper 2.3. Das Speicherzellen-Peltierelement 3.1 ist via Strom- und Datenleitungen 7 mit der Steuerungs- und Regelungseinheit 5 verbunden; an der Unterseite des Speicherzel- len-Peltierelements 3.1 ist der Wärmeleitkörper 3.2 aus einem offenporigen Aluminiumschaum thermisch kontaktierend befestigt.

In den mit dem Wärmespeichermaterial 3.4 gefüllten Wärmeisolierbehälter 3.3 der Thermogeneratorspeicherzelle 3 ist der Wärmeleitkörper 3.2 so eingesetzt, dass zumindest die Bodenfläche des Wärmeleitkörpers 3.2 vollständig in das Wärmespeichermaterial 3.4 eintaucht. Das Wärmespeichermaterial 3.4 ist Wasser. Zum besse- ren Verständnis sind die verdeckten Kanten des Wärmeleitkörpers 3.2 innerhalb des Wärmeisolierbehälters 3.3 sowie die Füllhöhe des Wärmespeichermaterials 3.4 als punktierte Linien dargestellt. Der Wärmeisolierbehälter 3.3 besteht aus einer wärmeisolierenden Keramik.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 Basis-Fotovoltaikmodul

1 .1 Basis-Fotovoltaikelement

1 .2 Schwimmkörper

2 kombiniertes Fotovoltaik-Thermogeneratormodul

2.1 Kombi-Fotovoltaikelement

2.2 Kombi-Peltierelement

2.3 Kühlkörper

2.4 Temperatursensor

3 Thermogeneratorspeicherzelle

3.1 Speicherzellen-Peltierelement

3.2 Wärmeleitkörper

3.3 Wärmeisolierbehälter

3.4 Wärmespeichermaterial

4 Akkumulator zur Speicherung elektrischer Energie

5 Steuerungs- und Regelungseinheit

6 Gleichstrom-Abnahmestelle

7 Strom- und Datenleitung

8 Solarstrahlung

9 Solarstrahlungssensor

10 Wasseroberfläche