AT506839A1

AT506839A1 - Sonnenkollektorsystem zur gleichzeitigen gewinnung elektrischer und thermischer energie aus sonnenstrahlung

Info

Publication number: AT506839A1
Application number: AT0089208A
Authority: AT
Original assignee: Baumgartner Christian
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-15

Description

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Beschreibung

Stand der Technik

Es existieren verschiedene Ausführungsformen kombiniert fotovoltaisch / thermischer (PV/T) Solaranlagen, wobei in vielen Fallen das Sonnenlicht durch Spiegel auf die Solarzellen konzentriert wird, um teuere Solarzellenfläche einzusparen und die Kollektoren der Sonne nachgeführt werden.

Die Luft- oder häufiger Flüssigkeitskühlung der Solarzellen hat dabei einen Doppelnutzen, indem sie einerseits Wärmeenrgie bereitstellt und andreserseits durch Kühlung der Solarzellen oder Solarpaneele deren elektrischen Wirkungsgrad verbessert, bzw. vor Überhitzung schützt.

Beispiele existierender Systeme

Beispiel eines derartigen Systems, ist die Anlage CHAPS (Combined Heat and Power Solar Collector Technology), beschrieben im Artikel ”A 40kW Roof mounted PV thermal Concentrator System“ (J.F.H Smelting, A.W. Blakers, J. Coventry). Es besteht aus mehreren Reihen, parallel zueinander angeordneter, trogförmiger Reflektoren (Spiegel) mit parabelförmigem Querschnitt, die jeweils auf einer drehbaren Achse, die geografisch N-S ausgerichtet ist, der Sonne nachgefuhrt werden. Das Sonnenlicht wird auf einen in der Brennlinie angeordneten, flüssigkeitsgekühlten Streifen hocheffizienter fotovoltaischer Solarzellen konzentriert. Die Kollektoren sind 1,6 Meter breit und 24 Meter lang. Der geometrische Konzentrationsfaktor beträgt 38, was eine exakte Nachführung mit einer zulässigen Abweichung von ca 0.1 Grad erfordert. Um diese Genauigkeit, der permanent Wind und Wetter ausgesetzten Kollektoren sicherzustellen, ist eine massive mechanische Konstruktion zur Halterung und Nachführung der Kollektoren erforderlich. Die beschriebene Anlage umfasst 8 Kollektoren und hat eine maximale elektrische Leistung von 32 kW (DC) und eine thermische Spitzenleistung von 160kW.

Die erzeugte elektrische Energie wird über Wechselrichter in das Stromnetz eingespeist und die erzeugte thermische Energie wird zur Brauwassererwärmung genutzt.

Ein anderes System wird unter dem Namen Arontis Solar8 kommerziell genutzt. Es arbeitet mit geringerer Konzentration von etwa 8 fach und erlaubt daher größere Toleranzen der solaren Nachführung, die in diesem Fall auf einer O-W orientierten Achse erfolgt.

Die Kollektoren sind etwa 5 Meter lang, 1,2 Meter breit, sind vollständig mit Glas abgedeckt und enthalten zwei, sich gegenüberstehende Reflektoren, die einen annähernd parabelförmigen Querschnitt aufweisen. In Kollektormitte, wo die Brennlinien der beiden Reflektoren zusammenfallen, ist der flüssigkeitsgekühlte fotovoltaische Absorber angeordnet, der beidseitig mit Solarzellen bestückt ist. Die Solarzellen jeder Seite werden von dem ihnen zugewandten Reflektor bestrahlt. Die Nachführeinrichtung und Mechanik ist in die Kollektoren integriert, sodass diese direkt auf Dächern oder auf dem Boden aufgestellt werden können.

Diese Kollektoren haben eine maximale elektrische Leistung von 500W (DC) und eine maximale thermische Leistung von 2.8kW und können zu beliebig großen Anlagen kombiniert werden.

Patentanmeldung PCT/US 2003/038972 (Int. Publication Number WO 2005/006452 Al) beschreibt u.a. ein System, das aus mehreren aneinandergereihten fotovoltaischen Flachpaneelen besteht, die auf flüssigkeitsgekühlten Platten montiert sind und an deren

Seite 1 von 13 Längsseiten schräg gestellte Spiegel angeordnet sind, die das seitlich einfallende Sonnenlicht auf die Solarpaneele umlenken, um deren Energieausbeute zu erhöhen.

Es können konventionelle, zugekaufte, oder speziell gefertigte evakuierte fotovoltaische Paneele verwendet werden.

Mehrere der beschriebenen Reihen aus gekühlten Fotovoltaik Paneelen mit seitlich fixierten Spiegeln sind nebeneinander auf jeweils einer drehbaren Achse angeordnet. Die drehbaren Achsen können ihrerseits auf einem horizontal angeordneten Drehkranz befestigt sein, um eine zweiachsige solare Nachrührung zu ermöglichen.

Außerdem können die Kollektoreinheiten bei Nacht oder Niederschlag derart gedreht werden, dass die lichtempfindlichen Seiten der Kollektoren und die Spiegel nach unten weisen und so weitgehend vor der Witterung geschützt werden.

Nachteile bekannter Systeme

Anlagen mit Trogförmigen, hoch konzentrierenden Reflektoren, erfordern aufgrund ihrer relativ großen, dem Wind ausgesetzten Reflektoren, die mit hoher Genauigkeit der Sonne nachgefiihrt werden müssen, großen konstruktiven Aufwand für die mechanischen Halterungen und die Nachführmechnik. Spiegelmaterialien, die über die gesamte Lebensdauer der Anlagen von 20 bis 25 Jahren einen hohen Grad spiegelnder Reflexion behalten, obwohl sie permanent der Witterung ausgesetzt sind, sind teuer und vielfach noch nicht langzeiterprobt. Der frühzeitige Ausfall dieser Materialien kann den Betrieb der gesamten Anlage vorzeitig unwirtschaftlich oder unmöglich machen. Die erforderlichen hocheffizienten Solarzellen sind erheblich teurer und schwieriger zu beschaffen als Standard Siliziumzellen. Der - auch nur kurzzeitige - Ausfall des Kühlkreislaufes kann zur Überhitzung und Zerstörung der Solarzellen führen.

Bei Systemen, die konventionelle fotovoltaische - Paneele nutzen, die zur Herstellung einer P V/T Anlage zusätzlich mit seitlichen Reflektoren, einer Kühleinrichtung, sowie einer mechanischen Nachführeinrichtung ausgestattet werden müssen, stehen dem dadurch erzielten Gewinn an elektrischer und thermischer Energie, erheblicher konstruktiver Aufwand und Kosten entgegen, die ihre Rentabilität in Frage stellen.

Praktisch alle Ausführungsformen bekannter PV/T Anlagen haben durch die relativ großen Abmessungen ihrer beweglichen Kollektoren ein sehr markantes Erscheinungsbild, das schwer in die Landschaft oder Gebäudeästhetik zu integrieren ist. Ebenso, bedingt durch ihre Größe, ihr Gewicht, die benötigte Stabilität und die erforderliche Zugänglichkeit zu Reinigungs- und Wartungsarbeiten, sind die Kollektorfelder fast immer direkt auf Flachdächern größerer Gebäude oder auf dem Erdboden (Sonnenfarmen) montiert, sodass die, diesen Anlagen gewidmete Fläche keine weitere Nutzung erlaubt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein kombiniert fotovoltaisch -thermisches Kollektorsystem zu schaffen, bei welchem durch geeignete Dimensionierung und Anordnung der Kollektoren, ein möglichst Gewicht- und Materialsparender Aufbau der Anlage erreicht wird, sowie leicht verfügbare und kostengünstige Materialien nutzbar sind. Außerdem sollen die Spiegel nicht permanent der Witterung ausgesetzt sein und die Anlage ein optisch möglichst unauffälliges Aussehen aufweisen und derart aufgebaut und angeordnet sein, dass sie möglichst wenig nutzbare Fläche in Anspruch nimmt.

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Losung

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass aus mehreren Einzelkollektoren (18), die Anordnungen aus Spiegeln (8) Solarzellen (2) und Kühlkörpern (5) enthalten und sich durch eine mehrere Meter lange und schlanke Bauform auszeichnen, Kollektorfelder gebildet werden, deren einzelne Kollektoren (18) über ihre Längsachsen drehbar auf gemeinsamen Trägerschienen (17) gelagert sind und von einem gemeinsamen Antriebssystem synchron gedreht werden, wobei die Spiegel durch eine Abdeckung oder durch Verdrehen der Kollektoren vor Witterungseinflüssen geschützt werden können und die Gesamten Kollektorfelder aufgrund ihres geringen Gewichtes erhöht montiert sind um wenig Nutzfläche in Anspruch zu nehmen.

Effekte der Erfindung und detaillierte Beschreibung des Systems Zu Patentansprüchen 1 und 3

Das schlanke Querschnittsprofil der Kollektoren von vorzugsweise 200 - 650mm Durchmesser, ermöglicht einen leichten, materialsparenden Aufbau der Kollektorgehäuse (9), die gleichzeitig die tragende Konstruktion der Kollektoren und die formgebende Auflagefläche der Spiegel (8) bilden. Die Spiegel können aus Spiegelfolien, verspiegelten, galvanisierten Aluminiumblechen oder anderen geeigneten Materialien mit hoher spiegelnder Reflexion bestehen. Das Querschnittsprofil, insbesondere die Anordnung und Ausrichtung der Spiegel, ist dabei vorzugsweise auf die Größe ganzer oder geviertelter, handelsüblicher, pseudoquadratischer Solarzellen mit 125mm Seitenlänge abgestimmt.

Aufgrund der mehrere Meter langen Bauform und des geringen Querschnittes der einzelnen Kollektoren, können deren Hauptbestandteile wie Kühlkörper (5), oder Gehäuse (9), mittels kostengünstiger industrieller Verfahren, z. B. aus Aluminium Strangpressprofilen, maschinell geformten Stahlblechbahnen, glasfaserverstärktem Kunststoff, oder anderen Materialien hergestellt werden.

Durch Lagerung mehrerer Kollektoren (18) auf gemeinsamen Trägerschienen (17), entweder an den Kollektorenden oder an deren Rückseiten, entsehen Kollektorfelder, die eine Einheit bilden. Durch einen gemeinsamen Antriebsmotor, welcher z.B. auf gemeinsame Schubstangen oder Zahnstangen wirkt, können alle Kollektoren des Feldes synchron gedreht werden.

Die derart nebeneinander liegenden Kollektoren bieten dem Wind wenig Angriffsfläche, erlauben dadurch leichtere Konstruktionen und sind optisch unauffälliger als großflächige bewegliche Paneele oder Kollektoren.

Die Anzahl der Kollektoren pro Kollektorfeld hängt von der gewählten Kollektorbauform, der gewünschten Leistung, der verfügbaren Fläche und anderen Faktoren ab und beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 100 Stück. Durch Kombination mehrerer Kollektorfelder können beliebig große Anlagen hergestellt werden.

Die Ausrichtung der Kollektorfelder in Bezug auf die Himmelsrichtung erfolgt für besten Energieertrag derart, dass die Kollektor -Längsachsen möglichst in nord-süd Richtung liegen wodurch die Kollektoren durch Drehung über diese Längsachsen, dem täglich von Osten nach Westen verlaufenden Sonnengang nachgefuhrt werden.

Aus der länglichen Form ergibt sich eine streifenförmige Anordnung der Solarzellen (2),

Seite 3 von 13 wobei die Breite der von den Spiegeln bestrahlten Fläche (B) nicht breiter als eine Solarzelle, oder falls halbe oder in vier Teile geteilte Zellen verwendet werden, nicht breiter als ein Zellenteil ist. Dadurch bilden alle Solarzellen entlang der gesamten, mit Solarzellen belegten Länge der Kollektoren von z. B. 6 Metern, eine einzige, lange Reihe von Zellen, die vorzugsweise elektrisch in Serie geschaltet sind.

Durch diesen Aufbau werden im Falle der gegenseitigen Abschattung der Kollektoren, bei tiefem Sonnenstand, also in den Morgen- und Abendstunden, alle Solarzellen eines Stranges gleichermaßen äbgeschattet. Dies bewirkt bezüglich des elektrischen Verhaltens, zwar eine Verringerung des Ausgangsstromes aller Solarzellen, etwa entsprechend des Abschattungsgrades, hingegen bleibt die Ausgangsspannung aller Solarzellen und damit des Gesamtsystems auch bei erheblicher Abschattung weitgehend unverändert. Dies hat den Vorteil, dass Wechselrichter dieser Anlagen auch bei erheblicher gegenseitiger Abschattung der Kollektoren, also in den Morgen und Abendstunden, mit einer relativ konstanten Eingangsspannung versorgt werden und weiterhin mit gutem Wirkungsgrad Energie in das Netz einspeisen können.

Diese Tatsache erlaubt eine relativ enge Anordnung der Kollektoren und damit einen platzsparenden Aufbau der Kollektorfelder.

Fig.4 veranschaulicht das Verhältnis zwischen gegenseitiger Abschattung der Kollektoren und ihres Abstandes.

Bei Kollektorausführungen nach Fig 12,13 und 14, die zwei Reihen von Solarzellen enthalten, sind die Reihen zu separaten Strängen verbunden, da bei dieser Ausführungsform die Abschattung beider Reihen nicht identisch ist. (Anmerkung: Kollektorquerschnitte, bei welchen mehrere Solarzellen nebeneinander liegen hätten im Falle gegenseitiger Abschattung, manche Zellen voll bestrahlt jedoch andere ganz oder teilweise beschattet, wodurch die beschatteten Zellen den Strom der gesamten Kollektoren begrenzen würden, bzw. bei Einsatz von Freilaufdioden, sich die Ausgangsspannung der Kollektoren erheblich verringern würde)

Vorzugsweise werden in den beschriebenen Kollektoren, handelsübliche „pseudoquadratische“ Standard Solarzellen mit 125 mm Seitenlänge verwendet. Bei Einsatz dieser Zellen misst die Breite der bestrahlten Fläche B, demnach 125mm.

Um besonders schlanke Kollektorprofile zu erhalten, wie z. B. in Fig.l dargestellt, können die Zellen in zwei oder vier Teile geteilt werden, wobei sich die Dimension B auf ca 62mm reduziert.

Der Faktor der geometrischen Konzentration, welcher sich aus dem Verhältnis der Größe der Kollektorapertur (A) zu der Größe der bestrahlten, mit Solarzellen belegten Fläche (B) ergibt, beträgt bei den hier vorgestellten Kollektorbeispielen, je nach Ausführung zwischen 3 und 4.2.

Dieser Faktor ist für Standard-Solarzellen, - insbesondere bei dem hier vorliegenden Fall mit Kühlung der Solarzellen - geeignet.

Dieser Umstand ist nach dem Stand der Technik bekannt und wird u.A. in der Thesis "Solar Cells in Concentrating Systems and their High temperature Limitations” von Tarn A. Yates, University of California, Santa Cruz näher erläutert.

Ein weiterer Vorteil der o.a. Teilung der Solarzellen in Zusammenhang mit der Konzentration der Sonnenstrahlung mit einem Faktor von 2-4, wobei der Ausgangsstrom pro Zelle ja näherungsweise um den Faktor der Konzentration zunimmt, also ein Mehrfaches des Wertes annimmt, der bei Systemen ohne Konzentration erreicht wird, ist,

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• · · · · • · · · ·«· • · · · · · ·♦ ·· ·· ♦ ♦ ♦ · t ♦ • · # • ♦ ♦ ··· ···· ·»· · dass durch diese Teilung, der Ausgangsstrom wieder entsprechend des Teilungsfaktors reduziert wird. Dadurch entspricht in grober Näherung, der Ausgangsstrom eines Zellenviertels welcher unter vierfacher Konzentration arbeitet, wieder etwa dem Wert einer ganzen Zelle, welche unter einfacher Sonnenintensität aibeitet.

Deshalb werden durch die Teilung der Solarzellen und die damit verbundene Verringerung ihres Ausgangsstromes, auch die Verluste durch die Spannungsabfälle an den Verbindungsleitungen zwischen den Zellen, die mit der zweiten Potenz des Stromes zunehmen (P= I2 x R), verringert.

Ein weiterer Vorteil des geringen solaren Konzentrationsfaktors von etwa 2-4 ist, dass die solare Nachführung keine hohe Präzision erfordert, wodurch die Mechanismen für die Lagerung und den Antrieb der Kollektoren sowie die betreffende Steuerung vereinfacht werden.

Zu Patentanspruch 2: Das geringe Gewicht und der kleine Kollektorquerschnitt erlaubt eine erhöhte Anordnung der Kollektorfelder, z. B. auf Stehern oder Säulen ähnlich einem Sonnendach und können auf Dachterrassen, Flachdächern oder auf dem Erdboden errichtet werden, wodurch der darunterliegende Raum für von der Solaranlage imabhängige Zwecke nutzbar ist.

Eine Verbesserung der Energieausbeute über den Jahresverlauf kann in Kombination mit der erhöhten Anordnung durch Neigung der Kollektorfelder erreicht werden. Der optimale Neigungswinkel in Richtung des Äquators entspricht etwa der geografischen Breite des Aufstellunsortes und ist nach dem Stand der Technik bekannt und in der Praxis vielfach genutzt.

Im vorliegenden Fall kann die Neigung der Kollektorlängsachsen und damit der gesamten Kollektorfelder in Richtung des Äquators z. B. mittels unterschiedlich langer Steher, durch direkte Montage der Trägerschienen (17) an Wänden oder Gebäudestrukturen erfolgen.

Auch eine Neigung in einem Winkel, der vom optimalen Wert abweicht, kann einen sinnvollen Kompromiss zwischen Energieertrag, technischer Realisierbarkeit und Ästhetik darstellen.

Fig.l und 2 zeigen diesbezügliche Ausführungsbeispiele.

Eine weitere Erhöhung der Energieausbeute kann durch die zweiachsige solare Nachführung erreicht werden, indem die Neigung der Kollektorfelder zur Anpassung an den Sonnenstand kontinuierlich verändert wird, was z.B. durch kontinuierliche Veränderung der Steherhöhe, durch hydraulischen oder motorischen Antrieb möglich ist.

Patentansprüche 4 und 5 stellen eine besondere Lösung der drehbaren Lagerung und des Drehantriebes vor, die in Fig. 15 anhand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht wird. Der in Fig. 15 dargestellte Kollektor entspricht dem Querschnittsprofil nach Fig. 7, diese Art des Antriebes und der Lagerung ist jedoch für Kollektorquerschnitte nach Fig. 13, Fig 14 oder anderen gleichermaßen geeignet.

Als Lagerprofil (30) können z. B. U-förmige Stahlprofile dienen, in welchen die Schubstangen (31) angeordnet sind und entlang der Profile bewegt werden, wobei die Lagerprofile gleichzeitig die tragende Struktur der Lagerschienen (17) bilden, sowie die seitliche Führung der Schubstangen (31) und der Zahnräder (32) sowie die Auflager der Kollektorachsen (33) bilden.

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Die Montage der Kollektoren erfolgt durch Einhängen in der gewünschten Drehposition in die dafür vorgesehenen Ausnehmungen (36) der Lagerprofile (30), wobei durch die Position der Zahnräder in den gezahnten Schubstangen die Drehposition der Kollektoren ohne weitere Justage fixiert ist und erhalten beleibt. Eine Abdeckung (37) schützt den genannten Mechanismus sowie die Verbindungsleitungen (34, 35, 38 und 39) und unterstützt ein unauffälliges Aussehen des gesamten Kollektorfeldes.

Die hier vorgestellte Lösung erlaubt die Drehung der Kollektoren über einen größeren Winkel als die Lagerung an den Kollektorrückseiten und erlaubt das Anfahren einer Parkstellung, bei der die Kollektorapertur nach unten weist und so vor Niederschlägen geschützt ist und - sowie im Falle erhöhter Montage von unten zur Reinigung zugänglich ist.

Dadurch können Kollektorausführungen ohne äußere Abdeckung der Reflektoren (10), deren Beispiel in Fig. 12 dargestellt ist eingesetzt werden.

Da die Aufhängung der Kollektoren in diesem Fall nur an deren Enden erfolgt, müssen die selbsttragenden Kollektorgehäuse (9) entsprechende Tragfähigkeit aufweisen. Dies wird z.B. bei den in Fig.7 und Fig. 13 gezeigten Ausführungsbeispielen von Kollektoren durch eine mehrwandige Gestaltung der Strangpressprofile bzw. durch Verwendung von Verstärkungsprofilen (12) erreicht.

Der Antrieb der Schubstangen (31) könnte z. B. mittels eines untersetzten Elektromotors erfolgen, der über eine Achse, an deren Enden jeweils ein Zahnrad angebracht ist, welches in je eine der gezahnten Schubstangen (31) eingreift und beide Schubstangen gleichermaßen bewegt (Motor, Achse und Zahnrad sind nicht dargestellt).

Die Steuerung kann per Computerprogramm erfolgen, welches unter Zugrundelegung von Datum, Uhrzeit, geografischer Lage und der genauen Ausrichtung der Kollektoren, die erforderlich Kollektomeigung berechnet. Ein Niederschlagssensor könnte zusätzlich bei Schlechtwetter die Drehung in die geschützte Stellung veranlassen. Diese und weitere Möglichkeiten der Steuerung und des Antriebes sind nach dem Stand der Technik verfügbar.

Erklärung zu Patentanspruch 6: Es entspricht dem Stand der Technik, dass fotovoltaische Solarpaneele, sogenannte Freilaufdioden auch Bypassdioden oder Schutzdioden genannt, enthalten. Ohne Freilaufdiode würde - bedingt durch die elektrische Serienschaltung der einzelnen Solarzellen - die Abschattung oder Unterbrechung einer oder weniger Solarzellen, zu einer erheblichen Leistungsverringerung oder dem Ausfall des Paneeles oder des ganzen Stranges führen.

Daher ist bei gängigen Solarpaneelen, deren Solarzellen in den meisten Fällen in Serie geschaltet sind, jeweils zu gleichen Gruppen, von z. B. 12 Solarzellen, jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet. Im Falle einer Abschattung oder einer Unterbrechung einer oder mehrerer Zellen dieser Gruppe übernimmt die Freilaufdiode die Leitung des Stromes in Umgehung der Solarzellen dieser Gruppe. Dadurch bleiben die übrigen Solarzellen des Paneeles funktionsfähig.

Bei Abschattung einer oder weniger Zellen werden jedoch alle zu einer Freilaufdiode gehörenden Zellen - auch die nicht Abgeschatteten - von der Diode überbrückt und tragen daher keine Leistung zum System mehr bei.

Die Beschreibung der Fig.l 1 erläutert die jahreszeitabhängige Abschattung der Kollektor-Enden.

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Da die Abschattung einer oder weniger Solarzellen an den Detektor-Enden einen normalen Betriebsfall darstellt, sieht Patentanspruch 6 vor, die Freilaufdioden an den Enden der Kollektoren in geringerem Abstand anzubringen als im übrigen, im normalen Betriebsfall nicht abgeschatteten Bereich. Dies könnte z. B. in der Form geschehen, dass die erste Freilaufdiode den Solarzellen ZI - Z3, die zweite Freilaufdiode den Solarzellen Z4 - Z6, und danach im übrigen Bereich des Kollektors, jeweils 8 oder 12 Solarzellen pro Freilaufdiode vorgesehen werden. Die letzten sechs Solarzellen werden ebenso wie die ersten sechs beschältet.

Dadurch wird in den Endzonen der Kollektoren, in denen die Abschattung weniger Solarzellen einen normalen Betriebsfall darstellt, die Schutzfunktion der Freilaufdioden auf die tatsächlich abgeschatteten Zellen beschränkt und so die abschattungsbedingten Leitungsverluste des Systems minimiert.

Patentanspruch 7 bezieht sich auf ein zweireihiges Kollektorprinzip, von welchem Beispiele in den Fig.12 und 13 dargestellt sind. Fig 14 zeigt ihren Strahlengang. Dieser Aufbau erlaubt Materialeinsparungen gegenüber den in Fig. 5-7 dargestellten Formen, da die Kühlkörper beidseitig mit Solarzellen besetzt sind.

Aufgrund der sich überlappenden Strahlenfelder der einzelnen ebenen Spiegel (8), erzeugt das hier vorgestellte Prinzip ein homogenes Bestrahlungsprofil auf den Solarzellen. Dies ist ein Vorteil gegenüber bekannten Systemen mit parabelförmigen oder ähnlich gewölbten Spiegeln, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, da diese ein inhomogenes Bestrahlungsprofil auf den Solarzellen erzeugen, welches meist in der Mitte der Solarzellen erheblich höhere Strahlungsintensität und damit höhere thermische und elektrische Belastung hervorruft als in deren Randbereichen.

Das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel hat einen geometrischen Konzentrationsfaktor von 4.2.

Der in Patentanspruch 8 beschriebene solare Empfänger (13), ist beidseitig mit Solarzellen bestückt und erstreckt sich über die gesamte, mit Solarzellen belegte Länge des Kollektors von z. B. 6 Metern. Aufgrund dieser Abmessungen und des kleinen Querschnittes des Empfängers von vorzugsweise ca 65 -120mm kann der Kühlkörper (5) als Profilteil, z.B. als Aluminium Strangpressprofil hergestellt werden. Siehe bitte auch Fig.9 und deren Beschreibung.

Patentanspruch 9 stellt eine besondere Ausführungsform des solaren Empfängers (1 oder 13) vor. Aufgrund seiner thermischen Isolierung ist dieser Empfänger besonders für Kollektorausführungen, die keine Abdeckung besitzen geeignet.

Siehe bitte auch Fig. 10 und deren Beschreibung.

Patentanspruch 10 Die Solarzellen (2) müssen mit dem Kühlkörper (5), thermisch leitend verbunden sein, aber elektrisch zuverlässig von diesem isoliert sein. Die Kontaktierungsbahnen an den Rückseiten der Solarzellen, sowie die Lötstellen der damit verbundenen Verbindungsleitungen, stellen, da sie etwas erhaben sind, eine erhöhtes Risiko für elektrische Kurzschlüsse zwischen den Solarzellen und den Kühlkörpern dar. Deshalb sieht Patentanspruch 10 an dieser Stelle Nuten (6) in den Kühlkörpern (5) vor, welche einen ausreichenden Abstand und dadurch eine dauerhafte elektrische Trennung sicherstellen.

Patentanspruch 11 bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren der langen und schmalen Kollektorgehäuse (9), z. B. mit dem in Fig.7 dargestellten Querschnittsprofil, aus

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Alvuninium Strangpressprofilen gefertigt werden, womit typische Kollektorlängen von 5 bis 6 Metern, und Gehäusedurchmesser bis etwa 30cm, in einem Stück hergestellt werden können und zur Fertigstellung der Gehäuse nur mit Endkappen versehen werden müssen. Durch geeignete mehrwandige Auslegung dieser Profile kann ihre Tragfähigkeit erhöht werden.

Die Spiegelflächen (8) können an den Innenseiten der Kollektorgehäuse mittels Elektropolieren, oder anderer bekannter chemischer oder elektrochemischer Verfahren, direkt an den Gehäuseinnenseiten hergestellt werden. Dies erlaubt die Herstellung nahezu der gesamten Gehäusestruktur einschließlich der Spiegel in einem Stück.

Patentanspruch 12 bezieht sich auf ein weiteres Herstellungsverfahren der Kollektorgehäuse, z.B. für Kollektoren mit einem Querschnittsprofil nach Fig.13. In diesem Fall wird die Herstellung des Kollektorgehäuses aus Glasfaserverstärktem Kunstharz oder einem anderen geeigneten Kompositmaterial vorgeschlagen, wobei nach Bedarf Verstärkungsprofile einlaminiert sind. Vorteil dieser Ausführung ist, dass die Siegel (8), meist in Form von Spiegelfolien, bei der Herstellung der Gehäuse, direkt als innerste (erste) Schichte einlaminiert werden können, wobei mit geringem Arbeitsaufwand eine sichere Verbindung zwischen Spiegel und Gehäuse hergestellt wird und spätere Klebeprozesse vermieden werden.

Weitere Aspekte

Das hier vorgestellte System bietet sich unter anderem für die Aufstellung in Gebieten niederer geografischer Breiten an, wo durch die hohe Sonneneinstrahlung große Mengen elektrischer Energie gewonnen werden können und zusätzlich die Beschattung durch die als Sonnendach wirkenden Kollektorfelder willkommen sein kann. In diesen Breiten könnte ein etwaiger Überschuss an gewonnener Wärmeenergie für Prozesse, die Nietertemperatur Wärme von etwa 40-50 °C benötigen, wie z. B. die Biogas Erzeugung, genutzt werden.

Durch Kombination verschiedener Ausführungsformen der einzelnen Komponenten des Systems kann für den jeweiligen Anwendungsfall die am besten geeignete Lösung gefunden werden.

So ergeben z. B. Kollektoren mit einem nach Fig.7 ausgeführten Profil, unter Verwendung geviertelter Solarzellen und mit Lagerung an den Kollektorenden, ein optisch unauffälliges System mit besonders schlanken Kollektoren, wie in Fig.l dargestellt, das auch in Architektonisch anspruchsvollen Projekten anwendbar ist.

Die Nutzung von Aluminium Strangpressprofilen zur Herstellung der Kollektorgehäuse (9) und besonders der Kühlkörper (5), erfordert spezialisierte industrielle Herstellungsmethoden, stellt aber bei ausreichenden Stückzahlen eine technisch hochwertige und kostengünstige Lösung dar. Der übrige Herstellungsprozess, also der Zusammenbau der Empfänger, Kollektoren und des gesamten Systems, wird dadurch vereinfacht und kann in kleinen Fertigungsstätten erfolgen, ohne teure Spezialmaschinen erfolgen.

Die Kombination eines Kollektorprofiles nach Fig.13, unter Verwendung eines abgedeckten solaren Empfängers nach Fig.10 dessen Dimension auf die Breite einer geteilten oder auch einer ungeteilten 125-mm-Solarzelle ausgelegt ist, ergibt ein System mit relativ breiteren Kollektoren das z. B. in der Agrikultur oder für Anwendungen genutzt werden kann, wo das Erscheinungsbild geringere Bedeutung hat.

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Bei Herstellung und Einsatz des Systems in Entwicklungsländern könnten Kollektoren aus Glasfaserverstärktem Polyester, mit einlaminierten Spiegeln aus Aluminium oder Kunststofffolien, die geringe Materialkosten, wenig spezialisierte Herstellungsmethoden aber etwas höheren Arbeitsaufwand erfordern, sinnvoll sein.

Aufzählung der Figuren

Fig.l und Fig.2 Ausführungsbeispiele von Kollektorfeldem, die erhöht mit fixer Neigung angeordnet sind

Fig.3 Schematische Darstellung eines Kollektorsystems, dessen Kollektoren an ihren Rückseiten drehbar gelagert sind und deren Drehantrieb über Gestänge erfolgt Fig.4 Schematische Darstellung eines Kollektorsystems, zur Veranschaulichung des Zusammenhanges zwischen Kollektorabstand, Sonnenstand und gegenseitiger Abschattung. Fig.5 Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Kollektors

Fig.6 Schnitt durch ein Ausfuhrungsbeispiel eines Kollektors nach Fig5, mit Darstellung des Strahlenganges der Sonnenstrahlung

Fig.7 Schnitt durch ein Ausfuhrungsbeispiel eines Kollektors, dessen Gehäuse als Aluminium Strangpressprofil hergestellt werden kann

Fig.8 Schnitt durch das Ausführungsbeispiel eines einseitigen solaren Empfängers, der in

Kollektorausführungen nach Fig5-7 verwendet werden kann

Fig.9 Schnitt durch das Ausführungsbeispiel eines beidseitig bestrahlten solaren

Empfängers, der z. B. in einem abgedeckten Kollektor nach Fig.12 eingesetzt werden kann.

Fig.l 0 Schnitt durch das Ausführungsbeispiel eines beidseitig bestrahlten solaren

Empfängers mit Glasabdeckung, der z. B. in einem Kollektor nach Fig.13 eingesetzt werden kann.

Fig.ll Schematische Darstellung eines Längsschnittes durch einen Kollektor, zur Darstellung der Abschattung der ersten und letzten Solarzellen, in Abhängigkeit der sich jahreszeitlich ändernden Höhe des Sonnenstandes

Fig.12 Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Kollektors mit zwei, sich gegenüberstehenden Reflektoren, mit Abdeckung

Fig.13 Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Kollektors mit zwei, sich gegenüberstehenden Reflektoren, ohne Abdeckung

Fig.14 Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Kollektors entsprechend Fig.l 1 und 12, mit Darstellung des Strahlenganges der Sonnenstrahlung

Fig.15 Aufgeschnittene, dreidimensionale Detailansicht des Ausführungsbeispieles eines Detektorfeldes nach Figl, mit Darstellung der Antriebsmechanik

Legende 1 Solarer Empfänger, einseitig 20 Sonnenstrahlen (Details siehe Fig.8) 21 von Spiegeln reflektierte 2 Solarzellen Sonnenstrahlen 3 Klebeverbindung 22 Feuchtigkeitsabdichtung

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#· ·* ·· • · ♦ · • · 4 Kanal der Kühlflüssigkeit 23 Drehbare Lagerung an 5 Kühlkörper Kollektor Rückseiten 6 Nut um Abstand zur Kontaktbahn 24 Gestänge der Solarzelle sicherzustellen 25 Lagerverbindung zwischen 7 Thermische Isolierung Gestänge und Kollektor 8 Spiegel 26-29 nicht benutzt 9 Gehäuse 30 Trägerprofil 10 transparente Kollektorabdeckung 31 gezahnte Schubstangen 11 transparente Solarzellenabdeckung 32 Zahnrad 12 Verstärkungsprofile 33 Hohlachse 13 Solarer Empfänger zweiseitig 34 flexibler Kühlflüssigkeitsschlauch 14 Kollektor - Endkappen 35 Kühlflüssigkeits Strangleitung 15 Luftraum (thermische Isolierung) 36 Ausnehmung für Hohlachsen 16 Verstärkungsrippen 37 Abdeckblende 17 Trägerschienen 38 Elektrisches Kabel 18 Kollektoren 39 Elektrische Strangleitung 19 Steher oder Säulen

Beschreibung der Figuren

Fig.l zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Kollektorfeldes. Es besteht aus zwanzig gleichen Kollektoren 18, deren Querschnittsprofil in Fig.7 dargestellt ist. Die Kollektoren dieses Ausführungsbeispiels sind mittels, an ihren Enden angebrachter Achsen auf gemeinsamen Trägerschienen 17 drehbar gelagert und enthalten - in vier Teile geteilte Standard 125 mm Solarzellen. Die Kollektoren dieses Ausführungsbeispiels haben einen Durchmesser von 24cm, eine Länge von 6 Metern und einen Abstand von Kollektormitte zu Kollektormitte von 52 cm. Die Länge des Kollektorfeldes beträgt etwa 10,5 Meter.

Fig.2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines Kollektorfeldes. Es besteht aus 8 zweireihigen Kollektoren, deren Querschnittsprofil in Fig.l3 dargestellt ist, wobei die Kollektoren mittels an deren Enden angebrachter Achsen auf gemeinsamen Trägerschienen 17 drehbar gelagert sind. Es wurden ebenfalls, in vier Teile geteilte Standard 125 mm Solarzellen verwendet. Die Kollektoren haben eine Breite von ca 66cm und eine Länge von 6 Metern und sind in diesem Beispiel etwa 45 Grad gedreht und auf die Vormittags- oder Nachmittagssonne ausgerichtet. Die Länge des Kollektorfeldes beträgt ca 12 Meter.

Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 2 sind auf unterschiedlich langen Stehern 19, erhöht angeordnet, wodurch die Kollektorlängsachsen und damit die Kollektorfelder etwa 28 Grad geneigt sind, was auf einer geografische Breite von 28 Grad, über ein Jahr betrachtet, den optimalen fixen Neigungswinkel im Bezug auf den Energieertrag darstellt. Der motorische Antrieb ist nicht dargestellt.

Fig.3 zeigt die schematische Darstellung einiger Kollektoren eines Kollektorfeldes, zur Veranschaulichung des Prinzipes der drehbaren Lagerung und des Drehantriebes. Die drehbare Lagerung der Kollektoren kann, wie hier dargestellt, an deren Gehäuserückseite erfolgen, wobei die Lagerpunkte 23, der einzelnen Kollektoren, jeweils auf einer gemeinsamen Lagerschiene 17 gelagert sind. In diesem Beispiel erfolgt der Drehantrieb der Kollektoren über Gestänge 24, die an den Kollektor - Endkappen befestigt sind und mittels eines Antriebes (nicht dargestellt) bewegt werden, wodurch die Kollektoren gedreht und

Seite 10 von 13 • · # · · • · · m ··« • · · · · ♦ • · · · · · ·· ·· ·· ·· · · · · • · · • · · • · · ··· ···· #··· über den Tagesverlauf der Sonne nachgeführt werden. Darstellung a) zeigt die Situation zur Mittagszeit, Darstellungen b) und c) in den Morgen bzw. Abendstunden.

Die Lagerung an den Kollektor Rückseiten limitiert den Drehwinkel der Kollektoren auf etwa 120-150Grad, ermöglicht jedoch große Kollektorlängen, da diese an ihren Rückseiten unterstützt sind.

Fig.4 zeigt den Zusammenhang zwischen Kollektorabstand, Sonnenstand und gegenseitiger Abschattung der Kollektoren, bei tiefem Sonnenstand, wie er täglich in den Morgen - und Abendstunden auftritt.

Darstellung a) zeigt die Situation, mit einem Einfallswinkel D der Sonnenstrahlung 20, bei dem noch keine gegenseitige Abschattung der Kollektoren auftritt. Bei Darstellung b) und dem verringerten Winkel D\ also etwas früher am Morgen oder später am Abend, tritt knapp 50% Abschattung auf.

Je geringer der Abstand C zwischen den Kollektoren, desto stärker wirkt sich der Effekt aus, sodass bei der Dimensionierung des Kollektorfeldes ein Kompromiss zwischen der Abschattung einerseits und der vom Kollektorfeld benutzten Fläche andererseits gefunden werden muss.

Fig.5 und Fig.7 zeigen Schnittdarstellungen durch beispielartige Kollektoren, bei denen die Solarzellen 2 des solaren Empfängers 1, direkt von der Sonne bestrahlt werden und zusätzlich von jedem der Spiegel 8 die seitlich einfalle Sonnenstrahlung auf die Solarzellen reflektiert wird.

Es ist eine Abdeckung 10 aus Glas mit hoher Transparenz oder einem anderen Material vorgesehen, die mit einer Feuchtigkeitsabdichtung 22 gegenüber dem Gehäuse äbgedichtet ist.

Da die Spiegel 8 nicht der Witterung ausgesetzt sind, können kostengünstige Materialien, wie z. B. verspiegelte Aluminiumfolie oder verspiegelte Kunststofffolie verwendet werden. Das Gehäuse des in Fig .7 gezeigten Ausfuhrungsbeispiels kann als Aluminiumprofil hergestellt werden, wobei durch entsprechende, z. B. mehrwandige Gestaltung, dessen Tragfähigkeit erhöht werden kann.

Fig.6 zeigt den Strahlengang der direkten Sonnenstrahlung 20 und der reflektierten Sonnenstrahlung 21, der in Fig.5 und Fig.7 dargestellten Kollektorquerschnitte.

Bei Verwendung von - in vier Teile geteilten 125 mm Solarzellen misst die Breite der bestrahlten Fläche B etwa 62mm. Die Breite der beiden, nahe der Solarzelle liegenden Spiegel, beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 32mm und die Breite der beiden von der Solarzelle weiter entfernten Spiegel, beträgt etwa 115 mm. Die Größe der Apertur A misst in diesem Fall etwa 190mm, woraus sich ein geometrischer Konzentrationsfaktor von ca 3x ergibt.

Die optimale Dimensionierung der Spiegel in Bezug auf deren Größe und Ausrichtung kann z. B. rechnerisch, grafisch oder mit Hilfe sogenannter “Raytrace“ Programme vorgenommen werden.

Fig.8 zeigt eine detaillierte Darstellung des solaren Empfängers 1. Die Solarzellen 2 sind mit einer Klebeschichte 3, die z. B. aus Epoxidharz, Silikon oder einer geeigneten doppelseitig klebenden Folie bestehen kann, auf den Kühlkörpern 5 befestigt, welche einen Kanal 4 enthalten, der von der Kühlflüssigkeit durchströmt wird.

Der Kühlkörper kann z. B. als Aluminium Strangpressprofil hergestellt sein.

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Die Klebeschichte 3 muss eine ausreichende elektrische Isolierung sicherstellen und ist außerdem für die thermische Kopplung zwischen Solarzellen 2 und Kühlkörper 5 verantwortlich. Je nach verwendeten Klebematerialien kann zusätzlich eine separate Isolierfolie oder -Schichte erforderlich sein. Aufgrund der vollflächigen Kühlung der Solarzellen und des relativ geringen Konzentrationsfaktors der Sonnenstrahlung sind spezielle, thermisch leitende Klebstoffe nicht unbedingt erforderlich.

Die Nut 6, welche einen sicheren Abstand zwischen den Kontaktierungsbahnen an den Rückseiten der Solarzellen sicherstellt, liegt in diesem Beispiel in der Mitte des Kühlkörpers, da dieser mit Solarzellenvierteln bestückt ist, welche eine mittige Kontaktierungsbahn besitzen. Bei ungeteilten Solarzellen, welche üblicherweise 2 rückseitige Kontaktierungsbahnen besitzen, sind analog zwei Nuten an den entsprechenden standardisierten Stellen vorzusehen.

Eine thermische Isolierung 7 isoliert den Kühlkörper gegenüber dem Kollektorgehäuse und, wenn erforderlich, an anderen exponierten stellen.

Zum Schutz der Solarzellen sind diese mit einer transparenten Abdeckung 11, die z. B. aus Glas, Kunststoff oder einer Silikon oder Epoxid Beschichtung bestehen kann, versehen.

Zur Verbesserung der thermischen Isolation kann die Abdeckung, die in diesem Fall aus hochtransparentem Solarglas bestehn sollte, im Abstand einiger Millimeter von den Solarzellen angeordnet werden, was besonders beim Einsatz des Empfängers in nicht abgedeckten Kollektoren vorteilhaft ist.

Fig.9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweireihigen solaren Empfängers 13, der z.B. in Kollektorprofilen nach Fig. 12 verwendet werden kann.

Der solare Empfänger wird an beiden Seiten von den Spiegeln 8 bestrahlt und ist an beiden Seiten mit Solarzellen bestückt.

Die Solarzellen 2 sind mit einer Klebeschichte 3, die z. B. aus Epoxidharz, Silikon oder einer geeigneten doppelseitig klebenden Folie bestehen kann, auf den Kühlkörpern 5 befestigt, welche einen Kanal 4 enthalten, der von der Kühlflüssigkeit durchströmt wird.

Der Kühlkörper kann z. B. als Aluminium Strangpressprofil hergestellt sein.

Die Klebeschichte 3 muss eine ausreichende elektrische Isolierung sicherstellen und ist außerdem für die thermische Kopplung zwischen Solarzellen 2 und Kühlkörper 5 verantwortlich. Je nach verwendetem Klebematerialien kann zusätzlich eine separate Isolierfolie oder Schichte erforderlich sein. Aufgrund der vollflächigen Kühlung der Solarzellen und des relativ geringen Konzentrationsfaktors der Sonnenstrahlung sind spezielle, thermisch leitende Klebstoffe nicht unbedingt erforderlich.

Die Nut 6, welche einen sicheren Abstand zwischen den Kontaktierungsbahnen an den Rückseiten der Solarzellen sicherstellt, liegt in diesem Beispiel in der Mitte des Kühlkörpers, da dieser mit Solarzellen vierteln bestückt ist, welche eine mittige Kontaktierungsbahn aufweisen. Bei ungeteilten Solarzellen, welche üblicherweise 2 rückseitige Kontaktierungsbahnen besitzen, sind analog zwei Nuten an den entsprechenden standardisierten Stellen vorzusehen.

Eine thermische Isolierung 7 isoliert den Kühlkörper gegenüber dem Kollektorgehäuse und wenn erforderlich an sonstigen exponierten stellen.

Fig.10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweireihigen solaren Empfängers.

Dies«* Empfänger entspricht im Wesentlichen dem unter Fig.9 Beschriebenen. Die Abdeckung 11 ist jedoch im Abstand weniger Millimeter von den Solarzellen angebracht, um durch den so entstandenen Luftraum eine thermische Isolierung des solaren Empfängers

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·· ·· • · • · ·· ·· • · • ·%· • · · • · · ·· ·· • ft ··* ·· ·· • · · « • · ···· #·«« herzustellen. Die Abdeckung besteht in diesem Fall vorzugsweise aus hochtransparentem Solarglas.

Fig. 11 Zeigt die schematische Darstellung eines Längsschnittes durch einen Kollektor, der in Fig 5-7 dargestellten Bauform. Die in der Folge beschriebenen Eigenschaften betreffen jedoch alle hier behandelten Kollektorbauformen mit einachsiger solarer Nachfahrung.

Die einzelnen Solarzellen sind mit ZI, Z2 .. Zn bezeichnet.

Die Sonnenstrahlung hier mit 20a bezeichnet, trifft auch bei optimaler Neigung des Kollektorfeldes, nur an wenigen Tagen eines Jahres im optimalen Winkel von 90 Grad, bezogen auf die Längsachse der Kollektoren, auf diese auf. Während der übrigen Zeit, abhängig von der geografischen Breite des Aufstellungsortes, der Jahreszeit und der Neigung des Kollektorfeldes, ändert sich dieser Winkel, wie z. B. mit Sonnenstrahl 20b dargestellt.

In diesem Fall sind eine oder wenige Zellen an der, der Sonne näher liegenden Schmalseite der Detektoren, ganz oder teilweise abgeschattet oder von den Spiegeln nicht vollständig bestrahlt und erbringen deshalb eine geringe oder keine elektrische Leistung. Die in Patentanspruch 6 beschriebene enge Anordnung von Freilaufdioden in diesem Bereich, minimiert den Einfluss dieses Effektes auf das elektrische Verhalten der Kollektoren.

Fig.12 und Fig.13 stellen zweireihige Ausfuhrungsbeispiele von Kollektoren nach Patentanspruch 7 dar, auf dessen Erklärung verwiesen wird.

Fig.12 zeigt den Schnitt durch das Ausführungsbeispiel eines Kollektors mit transparenter Abdeckung 10. Da die Spiegel 8 nicht dem Wetter ausgesetzt sind, können sie aus einem kostengünstigen Material, wie z. B. verspiegelter Aluminiumfolie oder verspiegelter Kunststofffolie bestehen. Die Solarzellenäbdeckung 11, wie z.B. im Ausfuhrungsbeispiel eines solaren Empfängers in Fig. 9 dargestellt, muss keinen mechanischen Schutz der Solarzellen bieten und kann aus einer geeigneten Beschichtung z.B. Silikon oder Kunststoff bestehen.

Fig.13 zeigt den Schnitt durch das Ausführungsbeispiel eines Kollektors, ohne transparente Abdeckung. In diesem Fall ist ein, äbgedeckter solarer Empfänger nach Fig. 10 vorgesehen. Verstärkungsrippen 16 können die Formstabilität der Kollektorgehäuse verbessern. Besonders im Falle der Lagerung an den Kollektorenden, können auch Längs-Verstärkungsprofile 12 erforderlich sein.

Fig.14 zeigt den Schnitt durch ein Ausfuhrungsbeispiel von Kollektoren nach dem in Fig. 12 und 13 gezeigten Querschnittsprofil mit Darstellung der einfallenden Sonnenstrahlung 20 und der an den Spiegeln reflektierten Strahlung 21. Das auf der Oberfläche der Solarzellen erzeugte Strahlungsprofil ist aufgrund der ebenen Spiegel homogen. Der geometrische Konzentrationsfaktor beträgt in diesem Ausfuhrungsbeispiel 4,2.

Fig.15 Detail eines Ausfuhrungsbeispiels eines Detektorfeldes nach Figl, mit Dreidimensionaler, aufgeschnittener Darstellung eines Kollektors, dessen Querschnittsprofil Fig.7 entspricht und mit aufgeschnittener Darstellung der Abdeckblende, sowie Darstellung eines Ausfuhrungsbeispiels der Antriebsmechanik. Diese Art der Kollektorlagerung und des Antriebes ist für alle an den Kollektorenden gelagerten Kollektoren geeignet.

Siehe bitte auch die Beschreibung der Patentansprüche 4 und 5 und die Legende.

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Claims

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Patentansprüche Sonnenkollektorsystem zur gleichzeitigen Gewinnung elektrischer und thermischer Energie aus Sonnenstrahlung, bestehend aus mehreren, parallel zueinander angeordneten Sonnenkollektoren, die drehbar gelagert sind und dem, sich im Tagesverlauf ändernden Sonnenstand nachgeführt werden und mit Spieglen das Sonnenlicht auf eine mit Solarzellen belegte Fläche konzentrieren, welche mittels eines flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörpes gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus mehreren gleichen Einzelkollektoren (18), die Anordnungen aus Spiegeln (8) Solarzellen (2) und Kühlkörpern (5) enthalten und sich durch eine mehrere Meter lange und schlanke Bauform auszeichnen, - Kollektorfelder gebildet werden, deren einzelne Kollektoren (18) über ihre Längsachsen drehbar auf gemeinsamen Trägerschienen (17) gelagert sind und von einem gemeinsamen Antriebssystem synchron gedreht werden. 2. 3. 4. 5. Sonnenkollektorsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorfelder, aufgrund der schlanken und leichten Bauform der Kollektoren, erhöht, in einer Höhe von wenigen Metern über der Aufstellungsfläche angebracht sein können, wobei die Kollektorfelder entweder horizontal liegen,- oder mit einer fixen Neigung in Richtung des Äquators geneigt sind, oder z.B. durch hydraulische Höhenverstellung der vertikalen Steher, eine veränderbare Neigung haben können, um eine zweiachsige solare Nachführung der Kollektoren zu erreichen. Sonnenkollektorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsprofil der Kollektoren derart ausgelegt ist, dass die Breite (B) der von den Spiegeln (8) bestrahlten, mit Solarzellen (2) belegten Fläche, der Breite einer Solarzelle, vorzugsweise ca 125mm, oder im Falle der Verwendung geteilter Solarzellen, der halben Breite einer Solarzelle, vorzugsweise ca 62mm entspricht. Sonnenkollektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Lagerung der einzelnen Kollektoren mittels, an deren Enden angebrachter Hohlachsen (33) erfolgt, die auf gemeinsamen Trägerprofilen (30), gelagert sind, wobei die elektrischen Kabel (38) und die flüssigkeitsführenden flexiblen Leitungen (34) durch diese Hohlachsen in das Kollektorinnere geführt werden. Sonnenkollektorsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb der Kollektoren bewerkstelligt wird, indem durch die Hohlachsen (33) eine feste Verbindung zwischen dem jeweiligen Kollektorende und einem Zahnrad (32) besteht, in das gezahnte Schubstangen (31) eingreifen, welche in - oder neben den Trägerprofilen (30) angeordnet sind und entlang dieser Trägerprofile verschoben werden, um alle Kollektoren (18) des Kollektorfeldes synchron zu drehen. Sonnenkollektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem Spiegel, oder einer Gruppe von Spiegeln bestrahlten Solarzellen oder Solarzellenffaktionen elektrisch in Serie geschaltet sind und jeweils zu mehreren dieser Solarzellen, sogenannte Freilaufdioden elektrisch parallel geschaltet sind, wobei die Anzahl der Solarzellen, zu denen, jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist, nicht über den gesamten Kollektorverlauf gleich ist, sondern in den beiden Endbereichen der Kollektoren, die Anzahl von Solarzellen pro Freilaufdiode geringer ist, als im übrigen Kollektorbereich. Seite 1 von 2 I I **

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03. Juni 2008 ·· · · 0 · • · « • 9 Φ • · · ·*· ···· ····

7. Sonnenkollektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren zwei, sich gegenüberstehende Anordnungen aus Einzelspiegeln (8) enthalten, welche die einfallende Sonnenstrahlung (21) auf einen, entlang der Kollektor-Längsachse liegenden solaren Empfänger (13) konzentrieren, der beidseitig mit Solarzellen (2) bestückt ist, wobei die genannten Spiegelanordnungen aus mehreren Einzelspiegeln bestehen, die derart dimensioniert und in einem Winkel zueinander angeordnet sind, dass jeder Teilspiegel die gesamte Breite (B), der ihnen zugewandten Solarzellen bestrahlt, wodurch sich die Strahlenfelder dieser Teilspiegel auf der Solarzellenoberfläche überdecken und ein konzentriertes aber homogenes Bestrahlungsprofil auf den Solarzellen erzeugen.

8. Sonnenkollektorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der solare Empfänger (13) einen beidseitig mit Solarzellen (2) besetzten Kühlkörper (5) enthält, der als thermisch gut leitendendes Metallprofil ausgeführt ist, welches sich über die gesamte, mit Solarzellen besetzte Länge des Kollektors erstreckt und einen, die Kühlflüssigkeit führenden Kanal (4) enthält.

9. Sonnenkollektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der solare Empfänger (1 oder 13) eine wenige Millimeter von den Solarzellen (2) entfernte transparente Abdeckung (11) aus Glas oder Kunststoff enthält, sowie thermische Isolierungen (7) zur Vermeidung von Wärmeverlusten an exponierten Metalloberflächen.

10. Sonnenkollektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (S) an der Stelle der rückseitigen Kontaktierungsbahnen der Solarzellen, Nuten (6) aufweist, um elektrische Kurzschlüsse zwischen den Kontaktbahnen der Solarzellen oder ihren Lötverbindungen und dem Kühlkörper (5) zu vermeiden.

11. Herstellungsverfahren von Sonnenkollektoren, die sich durch eine mehrere Meter lange aber schlanke Bauform auszeichnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse (9) der einzelnen Kollektoren (18) mit Ausnahme der Endkappen (14), in einem Stück als Aluminium Strangpressprofile hergestellt sind und die innenliegenden Reflektoren (8) durch chemische, oder elektrochemische Prozesse, die eine Oberfläche hoher spiegelnder Reflexion erzeugen, direkt auf den Gehäuseinnenseiten hergestellt oder auf diese aufgebracht sind.

12. Herstellungsverfahren von Sonnenkollektoren, die sich durch eine mehrere Meter lange aber schlanke, Bauform auszeichnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorgehäuse aus laminiertem Fasergewebe hergestellt sind und die Reflektoren (8), in Form von Reflektorfolien aus Metall oder Kunststoff, während des Laminierprozesses der Kollektorgehäuse, direkt an deren Innenseite einlaminiert werden. PATENTANWÄLTE PUCHBERGER, BERGER & PARTNER A-1010 Wen Reicteratestrars« 13 Telefci 151223 02 T cluLiX £<“3 37 03 Seite 2 von 2