DE102004001248B3 - Stationärer photovoltaischer Sonnenlicht-Konzentrator - Google Patents

Abstract

Ein stationärer photovoltaischer, d. h. nicht nachführbarer (PV)-Sonnenlicht-Konzentrator weist mehrere PV-Empfänger (2) und wenigstens eine nicht abbildende, aus mehreren Elementen (1) bestehende Fresnel-Linse auf, wobei die Brennebene jedes Linsenelements (1) auf der lichtaufnehmenden Fläche je eines zugehörigen PV-Empfängers (2) liegt und die Linsenelemente (1) so angeordnet sind, dass ihre Aperturen während des Tageslaufs nacheinander auf die Sonne ausgerichtet sind. DOLLAR A Durch die nicht abbildende Fresnel-Linse wird die Sonnenstrahlung besonders intensiv auf das PV-Element (2) gebündelt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen stationären, d. h. nicht nachführbaren photovoltaischen (PV) Sonnenlicht-Konzentrator.
• Aus der US 4 069 812 , der US 5 498 297 A und der US 5 344 497 A sind nach führbare photovoltaische Sonnenlicht-Konzentratoren bekannt, bei denen das Sonnenlicht mittels abbildender Fresnel-Linsen auf die lichtempfindlichen Oberflächen von PV-Empfängern (photovoltaische Solarzellen, Solarmodule) gebündelt wird. Die PV-Empfänger sind, einen langen Streifen bildend, in Reihen hintereinander angeordnet. Die PV-Empfänger werden zusammen mit den Fresnel-Linsen über den Tag dem Sonnenlicht nachgeführt, so dass das Licht dauernd auf die lichtempfindlichen Flächen gebündelt bleibt.
• Abbildende Fresnel-Linsen haben eine gewisse Lichteintritts-Apertur, deren Winkelbreite wesentlich kleiner als der Wert von 180° ist, der der Winkellänge der täglichen Sonnenbahn von Ost nach West entspricht. Um die tägliche Sonnenstrahlung maximal auszunutzen, ist ein Nachführsystem erforderlich, das die Fresnel-Linse direkt auf die Sonne ausgerichtet hält. Solche Sonnenlicht-Konzentrator-Systeme haben, zumindest potentiell, einen hohen Ausnutzungsgrad, sie haben aber eine Reihe von Nachteilen. Insbesondere ist es wegen des begrenzten Aufnahme- oder Eintrittswinkels des optischen Systems und selbst innerhalb der Grenzen des Eintrittswinkels notwendig, weil die Sonnenbewegung in einer Verschiebung der Brennlinie über die Brennebene der Linse resultiert, das ganze System dem Sonnenstand nachzuführen. Ein solches Nachführsystem ist recht aufwändig und demgemäss teuer, weil herkömmliche PV-Empfänger nur eine geringe Breite haben, so dass das Nachführsystem, das das Linsensystem auf die Sonne ausrichtet, sehr genau arbeiten muss. So sind Winkelfehler von +/– 0,1° oder weniger zulässig.
• Einfacher aufgebaut sind stationäre, d.h. nicht nachführbare Sonnenlicht-Konzentratoren der z.B. aus der US 4 103 673 bekannten Art. Hierbei werden mehrere Solarstrahlungs-Empfänger verwendet, die in der Brennebene einer Fresnel-Linse angeordnet sind. Während der täglichen Bewegung der Sonne bewegt sich auch das Bild auf der Brennebene der Fresnel-Linse, so dass die Empfänger Solarstrahlung nur während einer bestimmten Tageszeit empfangen. Dieser Sonnen-Konzentrator erfordert also zwar keine Nachführung, seine Solarstrahlungs-Aufnahmeapertur ist aber durch die Eingangs-Apertur einer einzigen abbildenden Fresnel-Linse begrenzt, d.h. auf wesentlich weniger als 180°, so dass die in elektrische Energie umwandelbare Solarstrahlung begrenzt ist.
• Aus der US 6 653 551 B2 ist ein stationärer Sonnenlicht-Konzentrator bekannt, bei dem die optischen Elemente einer oder zweier abbildender Fresnel-Linsen mit einem parabolischen Konzentrator kombiniert sind. Hierbei gibt es zwar keine Nachführung, der bekannte Sonnenlicht-Konzentrator hat aber ebenfalls den oben beschriebenen Nachteil: seine Aufnahme-Apertur ist durch eine einzige Fresnel-Linse begrenzt, also auf wesentlich weniger als 180°, so dass nur wenig Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das optische System ist außerdem kompliziert und schwierig und entsprechend teuer herstellbar.
• Aus JP 11-163382 A (PAJ-Abstract) ist bereits ein photoelektrischer Wandler bekannt, bei dem auf einem ersten halbkugelförmigen Träger eine Vielzahl konvexer Linsen angeordnet ist. Die Linsen sind auf photoelektrische Wandler gerichtet, die auf einem zweiten, zum ersten konzentrischen halbkugelförmigen Träger befestigt sind. Durch diese Anordnung soll das Lichteinfallverhältnis auf jedes Element vergleichmäßigt und der Temperaturanstieg in Folge Wärmeerzeugung begrenzt werden.
• Aus JP 09-260705 A (PAJ-Abstract) ist bereits eine Beleuchtungseinrichtung für eine Solarbatterie in Form einer die Solarbatterie überdeckenden Haube bekannt, deren Seitenwände als Fresnel-Linsen ausgebildet sind, und zwar derart, dass seitlich einfallendes Licht um so stärker zur Solarbatterie hin abgelenkt wird, je näher es zur Solarbatterie in die Seitenwand eintritt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen stationären photovoltaischen Sonnenlicht-Konzentrator anzugeben, der eine möglichst große Aufnahmewinkel-Apertur aufweist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen stationären photovoltaischen Sonnenlicht-Konzentrator mit mehreren PV-Empfängern und wenigstens einer nicht abbildenden, aus mehreren Elementen bestehenden Fresnel-Linse, wobei die Brennebene jedes PV-Linsenelements auf der lichtaufnehmenden Fläche je eines zugehörigen PV Empfängers liegt und die Linsenelemente so angeordnet sind, dass ihre Aperturen während des Tageslaufs nacheinander auf die Sonne ausgerichtet sind.
• An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass die abbildende Fresnel-Linse ebenso wirkt wie ein klassisches optisches Linsenelement. Vorteil der Fresnel-Linse ist demgegenüber, dass sie aus leichten Materialien hergestellt und mit einer großen Apertur ausgeführt werden kann und gegenüber sphärischen und chromatischen Abweichungen weniger empfindlich ist. Dabei ist sie den gleichen Einschränkungen unterworfen wie klassische Linsen. So ist es beispielsweise nicht möglich, einen nachführbaren Sonnenlicht-Konzentrator mit einer breiten Apertur zu entwickeln, weder mit klassischen Abbildungsoptiken noch durch abbildende Fresnel-Linsen, weil die Sonne als Lichtquelle nicht nur eine tägliche Bewegung über den Himmel ausführt, sondern wegen der Schräge der Erdachse auch jahreszeitliche Abweichungen auftreten.
• Dagegen ist die nichtabbildende Fresnel-Linse eine neuartiges optisches Element. Zwar basiert ihre Wirkungsweise auf den üblichen Gesetzen der Reflexion und Brechung, die Hauptfunktion der nichtabbildenden Fresnel-Linse ist es aber, nicht das Bild, sondern die Lichtintensität von der Lichtquelle zur Brennebene zu übertragen. Neuerliche Erfolge beider Ausbildung nicht abbildender Fresnel-Linsen eröffnen neue Möglichkeiten der Entwicklung optischer Elemente (R. Lloyds, A. Suzuki, „Nichtabbildende Fresnel-Linsen, Aufbau und Wirkungsweise von Solar-Konzentratoren", Springer-Verlag, Heidelberg, 2001). Die Mög lichkeit der Verwendung nichtabbildender Fresnel-Linsen im Bereich der Photovoltaik erscheint äußerst verlockend. Leider ist aber die Anwendung dadurch begrenzt, dass nichtabildende Fresnel-Linsen keine ausreichend hohe Gleichmäßigkeit der Lichtintensität über die Fläche des konzentrierten Lichts bieten. Sogenannte „heiße Punkte" mit höherer Lichtintensität über die beleuchtete Fläche sind unvermeidlich. Es ist auch bekannt, dass nichtabbildende Fresnel-Linsen nicht frei von chromatischen Abweichungen sind, was ihre Anwendung für photovoltaische Dünnfilmelemente mit mehreren Übergängen einschränkt. Die nichtabbildende Fresnel-Linse ist daher bei Anwendungen für die Photovoltaik nur günstig, wenn bei einem solchen Konzentrator PV-Empfänger aus kristallinem Silicium verwendet werden, die durch einen breiten Dynamikbereich der Lichtintensität gekennzeichnet sind, die effektiv in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
• Durch die Erfindung wird eine „Verbund-Fresnel-Linse" geschaffen, deren Apertur nahe an 180° heranreicht, wobei jedes Element oder jeder Abschnitt nur einen Bruchteil von 180° bildet. Die auf ein einzelnes Element einstrahlende Sonnenstrahlung wird nur zu dem Moment vollständig genutzt, wenn die Apertur direkt auf die Sonne ausgerichtet ist, wobei das Sonnenlicht auf den entsprechenden PV-Empfänger bzw. Reihe von Empfängern gebündelt wird. Die PV-Empfänger bzw. Reihen aus PV-Empfängern sind vorzugsweise im Querschnitt tangential zu einer Kreislinie angeordnet.
• Da die einzelnen Zellen bzw. Zellenreihen nur zu bestimmten Tageszeiten voll der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, sind die PV-Empfänger einer Reihe vorzugsweise elektrisch miteinander in Reihe und die Reihen elektrisch zueinander parallel geschaltet. Zwar wäre es möglich, dass sämtliche Abschnitte der Verbund-Fresnel-Linse ihr Licht auf eine PV-Zelle bzw. nur auf einen Streifen von PV-Zellen richten. Diese Lösung wäre aber eher nachteilig, weil das Licht von verschiedenen Fresnel-Linsen-Abschnitten die PV-Zelle unter unterschiedlichen Einfallwinkeln treffen würde, wodurch die Effektivität der Solarenergie-Umwandlung unvermeidlich vermindert würde.
• Die nichtabbildende Verbund-Fresnel-Linse kann als Einheit hergestellt werden, oder aus einer Anzahl einzelner Linsen oder Linsenelemente bestehen, die Abschnitte der Verbund-Fresnel-Linse darstellen und zu einem Ganzen miteinander verbunden sind. Eine nichtabbildende Verbund-Fresnel-Linse kann mit den PV-Zellen oder -Modulen, Kühlern und einem tragenden Rahmen zu einem stationären photovoltaischen Sonnenlicht-Konzentratormodul verbunden werden. Mehrere derartige Module können in Reihe in Nord-Süd-Richtung aufgestellt werden, so dass sehr einfach ein ganzes stationäres PV-Sonnenlicht-Konzentratorsystem geschaffen werden kann.
• Ein solcher Kenzentrator sollte je nach der geographischen Breite des Aufstellungsortes eine gewisse Neigung in Nord-Süd-Richtung haben.
• Die einzelnen Abschnitte oder Elemente der nichtabbildenden Verbund-Fresnel-Linse können identische oder unterschiedliche Eingangsöffnungen und Längen aufweisen; ihre Breite muss allerdings identisch sein.
• Die Linse und/oder ihre einzelnen Abschnitte oder Segmente bestehen aus einem Kunststoff mit geeigneten optischen Eigenschaften, z.B. aus Acryl- oder Polycarbonatharzen oder dergleichen.
• Die Form der nichtabbildenden Fresnel-Linse kann flach oder mit einem bestimmten Radius gebogen ausgeführt sein. Die Formen werden bei der Auslegung der nichtabbildenden Linse gewählt. Die dem Sonnenlicht zugewandte Oberfläche der Fresnel-Linse kann mit einer transparenten, lichtdurchlässigen Schutzschicht abgedeckt sein, z.B. Glas, die eine ausreichende Steifigkeit nicht nur der Fresnel-Linse und ihren Abschnitten, sondern der Gesamtheit des photovoltaischen Systems verleiht.
• Die Länge jedes Abschnitts der Verbund-Fresnel-Linse in Ost-West-Richtung korreliert mit ihrem Solarstrahlungs-Aufnahmewinkel. Eine bevorzugte Halbwinkel-Apertur in Ost-West-Richtung liegt zwischen 5° und 20°. Ist die Halbwinkel-Apertur jedes Abschnitts 15°, so beträgt die Gesamtapertur einer aus nur vier solcher Abschnitte bestehenden Verbund-Fresnel-Linse 120°. Kombiniert man sechs solcher Abschnitte, so ergibt sich eine Gesamtapertur von etwa 180°.
• Da jeder Abschnitt der Fresnel-Linse Sonnenstrahlung innerhalb seiner Apertur aufnimmt, und jeder Abschnitt fest auf eine bestimmte Sonnenstellung am Himmel ausgerichtet ist, wird durch diese Anordnung garantiert, dass die nichtabbildende Verbund-Fresnel-Linse Solarstrahlung über den ganzen Tag ohne tägliche Nachführung aufnimmt.
• Die Aufnahmewinkel-Apertur in Nord-Süd-Richtung sollte vorzugsweise so ausreichend bemessen sein, dass sich jahreszeitliche Änderungen der Sonnenstellung am Himmel kompensieren lassen. Das heißt, es sollte innerhalb eines Winkelbereichs von plus/minus 23° genügend Sonnenstrahlung aufgenommen werden. Dabei ist es nicht notwendig, die Neigung des Sonnenlicht-Konzentrators jahreszeitlich anzupassen.
• Da jedes Segment der Verbund-Fresnel-Linse Licht auf einen entsprechenden PV-Empfänger überträgt, wird seine Breite durch die Länge des entsprechenden Fresnel-Linsen-Abschnitts und durch den Konzentrationsfaktor bestimmt, der durch das photovoltaische System vorgegeben ist. Ein bevorzugter Wert der Solarstrahlungskonzentration liegt zwischen dem 5- und 10-fachen; die bevorzugte Breite der PV-Zelle liegt im Bereich von 5 bis 10 cm.
• Die Breite der Abschnitte der Fresnel-Linse bestimmt die Länge des entsprechenden PV-Empfängers.
• Im folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen stationären photovoltaischen Sonnenlicht-Konzentrators anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Konzentrators; und
• 2 die schematische Draufsicht auf die Stirnseite zweier nebeneinander angeordneter Konzentratoren.
• Wie in 1 gezeigt, enthält der Sonnenlicht-Konzentrator einen in Nord-Süd-Richtung langgestreckten Rahmen 4 nach An eines Gewächshauses, in dessen dem Sonnenlicht zugewandter Oberseite ein Gitter ausgebildet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform sind vier in Nord-Süd-Richtung verlaufende Gitterreihen vorgesehen, deren Gitterflächen jeweils unter einem bestimmten Winkel zur Erdoberfläche dem Sonnenlicht zugewandt sind. In die Gitterflächen sind Linsenabschnitte oder -elemente 1 eingesetzt. Jeweils vier nebeneinander liegende Linsenelemente bilden zusammen eine Verbund-Fresnellinse; an die vordere, aus den vier vorderen Elementen 1 bestehende Verbund-Fresnellinse sind mehrere weitere Verbund-Fresnellinsen angereiht, wobei die Elemente 1 jeder Linse, die eine gleiche Winkelstellung aufweisen, hintereinander angeordnet und elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.
• Im Zentrum der von den Reihen der Linsenabschnitte 1 gebildeten Kreislinie befindet sich ein Träger 5, auf dem parallel zu den Reihen der Linsenabschnitte angeordnete PV-Empfänger (PV-Zellen oder -Module) befestigt sind. Diese Anordnung bietet optimale Einstrahlungswinkel, unter denen die von den Linsenabschnitten 1 gebündelte Sonnenstrahlung jeden der PV-Empfänger 2 erreicht. Die Rückseiten der PV-Empfänger 2 sind mittels eines thermisch leitfähigen Isoliermaterials (nicht gezeigt) an einem Kühler 3 befestigt.
• Diese Module zusammen bilden einen stationären photovoltaischen Sonnenlicht-Konzentrator.
• In 2 sind zwei solcher Konzentratoren nebeneinander gezeigt, wobei ersichtlich ist, dass sie sehr nahe aneinander angeordnet werden können, ohne einander abzuschatten. Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist es wegen ihres modularen Aufbaus möglich, bestimmte Linsenelemente 1 oder bestimmte PV-Empfängerelemente 2 einzeln zu entfernen und auszutauschen, so dass bei Beschädigungen weder das Linsensystem noch das photovoltaische System in seiner Gesamtheit ausgetauscht werden müsste. Das heißt, es ist über lange Zeiträume eine hocheffiziente Umwandlung von Licht in elektrische Energie möglich.
• Im Betrieb wandert die Sonne, wie in 2 links gezeigt, über die Reihen aus Abschnitten 1 der nichtabbildenden Verbund-Fresnel-Linse(n). Ihr Licht wird durch die Abschnitte 1 auf die entsprechenden PV-Empfänger 2 gebündelt, die das auftreffende Licht in elektrische Energie umwandeln. Die an die PV-Empfänger angeschlossenen elektrischen Schaltungen, wie Wechselrichter usw., zum Umwandeln und Ableiten der gewonnenen elektrischen Energie sind nicht gezeigt.

Claims (5)

1. Stationärer photovoltaischer (PV) Sonnenlicht-Konzentrator mit – mehreren PV-Empfängern (2) und – wenigstens einer nicht abbildenden, aus mehreren Elementen (1) bestehenden Fresnel-Linse, wobei – die Brennebene jedes Linsenelements (1) auf der lichtaufnehmenden Fläche je eines zugehörigen PV-Empfängers (2) liegt und – die Linsenelemente (1) so angeordnet sind, dass ihre Aperturen während des Tageslaufs nacheinander auf die Sonne ausgerichtet sind.
2. Konzentrator nach Anspruch 1, bei dem jeweils mehrere PV-Empfänger (2) und zugehörige Linsenelemente (1) jeweils hintereinander in einer Reihe angeordnet sind.
3. Konzentrator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die PV-Empfänger (2) bzw. die Reihen aus PV-Empfängern (2) im Schnitt quer zu den Elementen bzw. den Reihen aus PV-Elementen (2) tangential zu einer Kreislinie liegen.
4. Konzentrator nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die in einer Reihe hintereinander liegenden PV-Empfänger (2) elektrisch in Reihe und die Reihen aus PV-Empfängern (2) parallel zueinander geschaltet sind.
5. Verfahren zum Betrieb eines Konzentrators nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen aus PV-Empfängern (2) in Nord-/Südrichtung ausgerichtet werden.