DE102004001248B3 - Stationary photovoltaic solar energy concentrator has light reception surfaces of photovoltaic receivers positioned in focal planes of lens elements of non-imaging Fresnel lens - Google Patents

Stationary photovoltaic solar energy concentrator has light reception surfaces of photovoltaic receivers positioned in focal planes of lens elements of non-imaging Fresnel lens Download PDF

Info

Publication number
DE102004001248B3
DE102004001248B3 DE200410001248 DE102004001248A DE102004001248B3 DE 102004001248 B3 DE102004001248 B3 DE 102004001248B3 DE 200410001248 DE200410001248 DE 200410001248 DE 102004001248 A DE102004001248 A DE 102004001248A DE 102004001248 B3 DE102004001248 B3 DE 102004001248B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
lens
photovoltaic
fresnel lens
receivers
imaging
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE200410001248
Other languages
German (de)
Inventor
Leonid B. Prof. Vancouver Rubin
Gerorge L. Vancouver Rubin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Day4 Energy Inc
Original Assignee
Day4 Energy Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Day4 Energy Inc filed Critical Day4 Energy Inc
Priority to DE200410001248 priority Critical patent/DE102004001248B3/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102004001248B3 publication Critical patent/DE102004001248B3/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

The solar energy concentrator has a number of photovoltaic receivers (2) and at least one non-imaging Fresnel lens with a number of lens elements (1), the focal plane of each of the lens elements coinciding with the light reception surface of a respective photovoltaic receiver. The lens elements are positioned so that their apertures are directed towards the sun in succession during the course of the day. An independent claim for an operating method for a photovoltaic solar energy concentrator is also included.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen stationären, d. h. nicht nachführbaren photovoltaischen (PV) Sonnenlicht-Konzentrator.The The invention relates to a stationary, d. H. not traceable photovoltaic (PV) sunlight concentrator.

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.From the US 4,069,812 , of the US 5 498 297 A and the US 5,344,497 A. are known for feasible photovoltaic sunlight concentrators, in which the sunlight is focused by means of imaging Fresnel lenses on the photosensitive surfaces of photovoltaic (photovoltaic solar cells, solar modules). The PV receivers, forming a long strip, are arranged in rows one behind the other. The PV receivers along with the Fresnel lenses are tracked throughout the day so that the light is constantly focused on the photosensitive surfaces.

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.imaging Fresnel lenses have a certain light entrance aperture whose Angle width is much smaller than the value of 180 °, the the angle length the daily Sun orbit from east to west corresponds. To maximize the daily solar radiation exploit is a tracking system required that the Fresnel lens be aimed directly at the sun holds. Such Sunlight concentrator systems have, at least potentially, one high degree of utilization, but they have a number of disadvantages. In particular, it is because of the limited intake or entrance angle of the optical system and even within the limits of the entrance angle necessary because the solar movement in a shift of the focal line across the focal plane the lens results in tracking the whole system to the position of the sun. One such tracking system is quite expensive and accordingly expensive because conventional PV receiver have only a small width, so the tracking system that the lens system aligns with the sun, must work very closely. So are angle errors of +/- 0.1 ° or less allowed.

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.Stationary, ie non-traceable sunlight concentrators, for example, from the US 4,103,673 In this case, several solar radiation receivers are used, which are arranged in the focal plane of a Fresnel lens. During the daily movement of the sun, the image also moves on the focal plane of the Fresnel lens, so that the receivers receive solar radiation only during a certain time of day. Although this solar concentrator does not require tracking, its solar radiation acquisition aperture is limited by the input aperture of a single imaging Fresnel lens, ie, to substantially less than 180 °, so that the solar radiation convertible into electrical energy is limited.

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.From the US Pat. No. 6,653,551 B2 a stationary sunlight concentrator is known in which the optical elements of one or two imaging Fresnel lenses are combined with a parabolic concentrator. Although there is no tracking, the known sunlight concentrator also has the disadvantage described above: its recording aperture is limited by a single Fresnel lens, that is, to much less than 180 °, so that only little solar energy is converted into electrical energy can be. The optical system is also complicated and difficult and correspondingly expensive to produce.

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.Out JP 11-163382 A (PAJ Abstract) is already known a photoelectric converter, in which a plurality of convex lenses is arranged on a first hemispherical carrier. The lenses are directed to photoelectric transducers mounted on a second concentric hemispherical carrier. By this arrangement, the light incident ratio is made uniform to each element and the temperature rise due to heat generation be limited.

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.Out JP 09-260705 A (PAJ abstract) is already a lighting device for a solar battery in the form of a solar battery covering hood known, the side walls are designed as Fresnel lenses, in such a way that laterally incident light is deflected the more towards the solar battery, the closer it to the solar battery enters the side wall.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen stationären photovoltaischen Sonnenlicht-Konzentrator anzugeben, der eine möglichst große Aufnahmewinkel-Apertur aufweist.Of the Invention is therefore the object of a stationary photovoltaic Specify sunlight concentrator, which has the largest possible recording angle aperture.

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.These The object is achieved by a stationary one photovoltaic sunlight concentrator with multiple PV receivers and at least a non-imaging multi-element Fresnel lens, wherein the focal plane of each PV lens element on the light receiving area one each PV receiver is located and the lens elements are arranged so that their apertures while of the day's run are aligned one after the other to the sun.

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.It should be mentioned that the imaging Fresnel lens acts just like a classical optical lens element. In contrast, the advantage of the Fresnel lens is that it can be made of light materials and can be made with a large aperture and with respect to spherical ones and chromatic aberrations is less sensitive. It is subject to the same restrictions as classic lenses. Thus, for example, it is not possible to develop a trackable sunlight concentrator with a wide aperture, neither with classical imaging optics nor with imaging Fresnel lenses, because the sun as a light source not only performs a daily movement over the sky, but because of the slope of the Earth axis also seasonal deviations occur.

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.On the other hand the non-imaging Fresnel lens is a novel optical Element. Although their mode of action is based on the usual Laws of reflection and refraction, the main function of non-imaging It is the Fresnel lens, not the picture, but the light intensity of the picture To transmit light source to the focal plane. Recent successes in the formation of non-imaging Fresnel lenses open New opportunities development of optical elements (R. Lloyds, A. Suzuki, "Non-imaging Fresnel lenses, Structure and Mode of Operation of Solar Concentrators ", Springer-Verlag, Heidelberg, 2001). The possibility The use of non-imaging Fresnel lenses in the field of photovoltaics appears extremely tempting. Unfortunately, the application is limited by the fact that non-imaging Fresnel lenses no sufficiently high uniformity the light intensity over the area of concentrated light. So-called "hot spots" with higher light intensity over the illuminated area are inevitable. It is also known that non-imaging Fresnel lenses not free of chromatic aberrations, what their application for photovoltaic Thin film elements restricted with several transitions. The non-imaging Fresnel lens is therefore in photovoltaic applications only cheap, if in such a concentrator PV receiver made of crystalline silicon are used, characterized by a wide dynamic range of light intensity are that can be effectively converted into electrical energy.

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.By The invention provides a "composite Fresnel lens" whose Aperture close to 180 °, each element or section being only a fraction of 180 ° forms. The incident on a single element solar radiation is complete only at the moment used when the aperture is directly aligned with the sun, the sunlight is directed to the corresponding PV receiver or Series of receivers bundled becomes. The PV receiver or rows of PV receivers are preferably tangent to a circular line in cross-section arranged.

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.There the individual cells or cell rows only at certain times of the day are fully exposed to solar radiation, the PV receivers are a series preferably electrically connected in series and the rows electrically connected in parallel. Although it would be possible that all Sections of the composite Fresnel lens shed their light on a PV cell or only on a strip of PV cells. This solution would be but rather disadvantageous because the light from different Fresnel lens sections the PV cell would hit at different angles of incidence, causing the effectiveness the solar energy conversion would inevitably be diminished.

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.The Non-imaging composite Fresnel lens can be manufactured as a unit or a number of individual lenses or lens elements which represent portions of the composite Fresnel lens and connected to a whole. A non-imaging Composite Fresnel lens can work with the PV cells or modules, coolers and a supporting frame to a stationary photovoltaic sunlight concentrator module get connected. Several such modules may be in series in a north-south direction be placed so that very easily a whole stationary PV sunlight concentrator system can be created.

Ein solcher Kenzentrator sollte je nach der geographischen Breite des Aufstellungsortes eine gewisse Neigung in Nord-Süd-Richtung haben.One Such Kenzentrator should vary depending on the latitude of the Site have some slope in north-south direction.

Die einzelnen Abschnitte oder Elemente der nichtabbildenden Verbund-Fresnel-Linse können identische oder unterschiedliche Eingangsöffnungen und Längen aufweisen; ihre Breite muss allerdings identisch sein.The individual sections or elements of the composite non-imaging Fresnel lens can be identical or different entrance openings and lengths exhibit; their width must be identical.

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.The Lens and / or their individual sections or segments exist made of a plastic with suitable optical properties, e.g. from acrylic or polycarbonate resins or the like.

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.The Shape of the non-imaging Fresnel lens may be flat or with a determined radius bent executed be. The shapes are used in the design of the non-imaging lens selected. The sunlight facing surface of the Fresnel lens can covered with a transparent, translucent protective layer be, e.g. Glass that has sufficient rigidity not only the Fresnel lens and its sections, but the entirety of photovoltaic system.

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°.The length of each section of the composite Fresnel lens in east-west direction correlates with its solar radiation pickup angle. A preferred half-angle aperture in east-west direction is between 5 ° and 20 °. If the half-angle aperture of each section is 15 °, the total aperture is consisting of only four such sections composite Fresnel lens 120 °. Combining six such sections, the result is a total aperture of about 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.There every section of the Fresnel lens has solar radiation within it Aperture absorbs, and each section fixed to a specific position in the sun oriented in the sky, is guaranteed by this arrangement, that the non-imaging composite Fresnel lens solar radiation over the all day without daily tracking receives.

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.The Acquisition angle aperture in north-south direction should preferably be sufficiently sized to allow for seasonal changes compensate for the position of the sun in the sky. That means it should enough solar radiation has been absorbed within an angle range of plus / minus 23 ° become. It is not necessary, the inclination of the sunlight concentrator seasonally adapt.

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.There each segment of the composite Fresnel lens light onto a corresponding one PV receiver transmits its width by the length of the corresponding Fresnel lens section and by the concentration factor determined by the photovoltaic system. One preferred value of the solar radiation concentration is between 5 and 10 times; the preferred width of the PV cell is in the Range from 5 to 10 cm.

Die Breite der Abschnitte der Fresnel-Linse bestimmt die Länge des entsprechenden PV-Empfängers.The Width of the sections of the Fresnel lens determines the length of the corresponding PV receiver.

Im folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen stationären photovoltaischen Sonnenlicht-Konzentrators anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:in the The following will be an embodiment the stationary photovoltaic sunlight concentrator according to the invention explained with reference to the drawing. Show it:

1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Konzentrators; und 1 a schematic perspective view of a concentrator; and

2 die schematische Draufsicht auf die Stirnseite zweier nebeneinander angeordneter Konzentratoren. 2 the schematic plan view of the front side of two juxtaposed concentrators.

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.As in 1 As shown, the sunlight concentrator includes an elongated frame in a north-south direction 4 after a greenhouse, in which the sunlight facing top is formed a grid. In the embodiment shown, four grid rows running in the north-south direction are provided, the grid surfaces of which each face the sunlight at a certain angle to the earth's surface. In the grid surfaces are lens sections or elements 1 used. Each four adjacent lens elements together form a composite Fresnel lens; to the front, from the four front elements 1 existing composite Fresnel lens are lined up several more composite Fresnel lenses, the elements 1 each lens, which have a same angular position, arranged one behind the other and are electrically connected in series.

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.In the center of the rows of lens sections 1 formed circle line is a carrier 5 , are mounted on the parallel to the rows of lens sections arranged PV receiver (PV cells or modules). This arrangement provides optimum angles of incidence, among which those of the lens sections 1 bundled solar radiation of each of the PV receivers 2 reached. The backs of the PV receiver 2 are by means of a thermally conductive insulating material (not shown) to a radiator 3 attached.

Diese Module zusammen bilden einen stationären photovoltaischen Sonnenlicht-Konzentrator.These Modules together form a stationary photovoltaic sunlight concentrator.

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.In 2 two such concentrators are shown side by side, it being understood that they can be placed very close together without shading each other. In the embodiment shown here, it is possible because of its modular design, certain lens elements 1 or certain PV receiver elements 2 individually to be removed and replaced, so that in case of damage neither the lens system nor the photovoltaic system in its entirety would have to be replaced. That is, it is possible over long periods of a highly efficient conversion of light into electrical energy.

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.In operation, the sun wanders, as in 2 shown on the left, over the rows of sections 1 the composite non-imaging Fresnel lens (s). Your light will pass through the sections 1 to the corresponding PV receiver 2 bundled, which convert the incident light into electrical energy. The electrical circuits connected to the PV receivers, such as inverters, etc., for converting and dissipating the recovered electrical energy are not shown.

Claims (5)

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.Stationary photovoltaic (PV) sunlight concentrator with - several PV receivers ( 2 ) and - at least one non-imaging, multi-element ( 1 ) Fresnel lens, wherein - the focal plane of each lens element ( 1 ) on the light-receiving surface of each associated PV receiver ( 2 ) and The lens elements ( 1 ) are arranged so that their apertures are aligned successively to the sun during the course of the day. Konzentrator nach Anspruch 1, bei dem jeweils mehrere PV-Empfänger (2) und zugehörige Linsenelemente (1) jeweils hintereinander in einer Reihe angeordnet sind.Concentrator according to Claim 1, in which in each case a plurality of PV receivers ( 2 ) and associated lens elements ( 1 ) are arranged one behind the other in a row. 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.Concentrator according to Claim 1 or 2, in which the PV receivers ( 2 ) or the rows of PV receivers ( 2 ) in cross section across the elements or the rows of PV elements ( 2 ) are tangent to a circle. 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.Concentrator according to Claim 2 or 3, in which the PV receivers ( 2 ) in series and the rows of PV receivers ( 2 ) are connected in parallel with each other. 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.Method for operating a concentrator according to one of Claims 2 to 4, characterized in that the rows of PV receivers ( 2 ) are aligned in north / south direction.
DE200410001248 2004-01-07 2004-01-07 Stationary photovoltaic solar energy concentrator has light reception surfaces of photovoltaic receivers positioned in focal planes of lens elements of non-imaging Fresnel lens Expired - Fee Related DE102004001248B3 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410001248 DE102004001248B3 (en) 2004-01-07 2004-01-07 Stationary photovoltaic solar energy concentrator has light reception surfaces of photovoltaic receivers positioned in focal planes of lens elements of non-imaging Fresnel lens

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410001248 DE102004001248B3 (en) 2004-01-07 2004-01-07 Stationary photovoltaic solar energy concentrator has light reception surfaces of photovoltaic receivers positioned in focal planes of lens elements of non-imaging Fresnel lens

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102004001248B3 true DE102004001248B3 (en) 2005-01-05

Family

ID=33495315

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200410001248 Expired - Fee Related DE102004001248B3 (en) 2004-01-07 2004-01-07 Stationary photovoltaic solar energy concentrator has light reception surfaces of photovoltaic receivers positioned in focal planes of lens elements of non-imaging Fresnel lens

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004001248B3 (en)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202009007771U1 (en) 2009-06-03 2009-08-20 Danz, Rudi, Dr. habil. Photovoltaic modules for radiation concentration
DE102011001848A1 (en) 2011-04-06 2012-10-11 Michael Schmidt Photovoltaic arrangement installed in roof of building, has refractive index layer that is provided between prism and photovoltaic module by adapting coupling unit and is provided in spectral region of transmissive photovoltaic cell
US8563847B2 (en) 2009-01-21 2013-10-22 Tenksolar, Inc Illumination agnostic solar panel
WO2014000895A1 (en) 2012-06-29 2014-01-03 Gpc International S.A. Device for receiving solar energy and method for producing electricity and heating a fluid simultaneously
US8748727B2 (en) 2008-01-18 2014-06-10 Tenksolar, Inc. Flat-plate photovoltaic module
US8829330B2 (en) 2010-02-23 2014-09-09 Tenksolar, Inc. Highly efficient solar arrays
US8828778B2 (en) 2008-01-18 2014-09-09 Tenksolar, Inc. Thin-film photovoltaic module
US8933320B2 (en) 2008-01-18 2015-01-13 Tenksolar, Inc. Redundant electrical architecture for photovoltaic modules
CN105403987A (en) * 2015-12-21 2016-03-16 九格能源科技（天津）有限公司 Combined type solar condenser
US9299861B2 (en) 2010-06-15 2016-03-29 Tenksolar, Inc. Cell-to-grid redundandt photovoltaic system
US9773933B2 (en) 2010-02-23 2017-09-26 Tenksolar, Inc. Space and energy efficient photovoltaic array

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4069812A (en) * 1976-12-20 1978-01-24 E-Systems, Inc. Solar concentrator and energy collection system
US4103673A (en) * 1976-12-06 1978-08-01 Woodworth Robert N Non-tracking solar energy concentrator
US5344497A (en) * 1993-04-19 1994-09-06 Fraas Lewis M Line-focus photovoltaic module using stacked tandem-cells
US5498297A (en) * 1994-09-15 1996-03-12 Entech, Inc. Photovoltaic receiver
JPH09260705A (en) * 1996-03-21 1997-10-03 Sanyo Electric Co Ltd Natural lighting device
JPH11163382A (en) * 1997-11-28 1999-06-18 Clean Kankyo Kk Photoelectric conversion device
US6653551B2 (en) * 2001-10-23 2003-11-25 Leon L. C. Chen Stationary photovoltaic array module design for solar electric power generation systems

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4103673A (en) * 1976-12-06 1978-08-01 Woodworth Robert N Non-tracking solar energy concentrator
US4069812A (en) * 1976-12-20 1978-01-24 E-Systems, Inc. Solar concentrator and energy collection system
US5344497A (en) * 1993-04-19 1994-09-06 Fraas Lewis M Line-focus photovoltaic module using stacked tandem-cells
US5498297A (en) * 1994-09-15 1996-03-12 Entech, Inc. Photovoltaic receiver
JPH09260705A (en) * 1996-03-21 1997-10-03 Sanyo Electric Co Ltd Natural lighting device
JPH11163382A (en) * 1997-11-28 1999-06-18 Clean Kankyo Kk Photoelectric conversion device
US6653551B2 (en) * 2001-10-23 2003-11-25 Leon L. C. Chen Stationary photovoltaic array module design for solar electric power generation systems

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R.Zloyds, A.Suzuki, "Nichtabbildende Fresnel- Linsen, Aufbau und Wirkungsweise von Solar- Konzentratoren", Springer-Verlag, Heidelberg 2001 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9768725B2 (en) 2008-01-18 2017-09-19 Tenksolar, Inc. Redundant electrical architecture for photovoltaic modules
US8748727B2 (en) 2008-01-18 2014-06-10 Tenksolar, Inc. Flat-plate photovoltaic module
US8828778B2 (en) 2008-01-18 2014-09-09 Tenksolar, Inc. Thin-film photovoltaic module
US8933320B2 (en) 2008-01-18 2015-01-13 Tenksolar, Inc. Redundant electrical architecture for photovoltaic modules
US8563847B2 (en) 2009-01-21 2013-10-22 Tenksolar, Inc Illumination agnostic solar panel
US9543890B2 (en) 2009-01-21 2017-01-10 Tenksolar, Inc. Illumination agnostic solar panel
DE202009007771U1 (en) 2009-06-03 2009-08-20 Danz, Rudi, Dr. habil. Photovoltaic modules for radiation concentration
US9773933B2 (en) 2010-02-23 2017-09-26 Tenksolar, Inc. Space and energy efficient photovoltaic array
US8829330B2 (en) 2010-02-23 2014-09-09 Tenksolar, Inc. Highly efficient solar arrays
US9299861B2 (en) 2010-06-15 2016-03-29 Tenksolar, Inc. Cell-to-grid redundandt photovoltaic system
DE102011001848A1 (en) 2011-04-06 2012-10-11 Michael Schmidt Photovoltaic arrangement installed in roof of building, has refractive index layer that is provided between prism and photovoltaic module by adapting coupling unit and is provided in spectral region of transmissive photovoltaic cell
WO2014000895A1 (en) 2012-06-29 2014-01-03 Gpc International S.A. Device for receiving solar energy and method for producing electricity and heating a fluid simultaneously
CN105403987A (en) * 2015-12-21 2016-03-16 九格能源科技（天津）有限公司 Combined type solar condenser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3741477C2 (en)
DE102009008170B4 (en) Method and system for light collection and light energy conversion device
DE602006000828T2 (en) Cover element for a greenhouse
EP1787068B1 (en) Floating solar platform
DE10296508T5 (en) Photovoltaic array module design for solar electric power generation systems
CH702230B1 (en) Solar plant.
DE102008021730A1 (en) Solar system for converting solar electromagnetic radiation energy into electrical energy, has absorber arranged parallel to rotation axes of reflectors in center of module, and solar cells arranged in rows
DE2724788A1 (en) METHOD FOR RADIATION CONCENTRATION
DE102005042622A1 (en) Photovoltaic modules for a solar concentrator
DE102004001248B3 (en) Stationary photovoltaic solar energy concentrator has light reception surfaces of photovoltaic receivers positioned in focal planes of lens elements of non-imaging Fresnel lens
EP2139046A1 (en) Photovoltaic module
DE102007052338A1 (en) Photovoltaic installation has multiple level mirrors for concentration of sunlight on concentrator module with photovoltaic element, where mirrors are aligned together in form of Fresnel mirror field in parallel manner
DE102006044603A1 (en) Solar multi-stage concentrator
DE102005018657A1 (en) Collector and collector assembly for recovering heat from incident radiation
DE102004054755A1 (en) Device for concentrating light, in particular sunlight
DE102009037083A1 (en) Photovoltaic device for use in solar system utilized for converting solar energy into electrical energy, has mirrors provided with reflected surfaces, respectively, and control unit controlling rotation of mirrors about rotational axis
DE102008014618B4 (en) Device for concentrating and converting solar energy
DE102006028932A1 (en) Photovoltaic module has photovoltaic element, designed to pass through part of light bundled from convergent lens, where module has reflector, which is spaced and equipped from photovoltaic element
DE102016006865B3 (en) Solar collector module with a light-conducting tube
DE4302824C2 (en) Arrangement for generating energy from sunlight
EP2489079A2 (en) Device for concentrating and converting solar energy
WO2004100274A1 (en) Unit for focusing solar radiation onto a micro solar cell
DE102008001640A1 (en) Photovoltaic concentrator for concentrating sunlight for use in e.g. photovoltaic panel, has mirror component allowing incident light to be deflected onto absorbing element that is statically mounted with respect to mirror component
DE102008020815A1 (en) Photovoltaic solar module
DE10328321A1 (en) Multifunctional prism blunt wedge e.g. for solar radiation concentration, has defined divergence angle falling on wide aperture surface of PSK by total reflections at boundary surface between PSK flanks and ambient air

Legal Events

Date Code Title Description
8100 Publication of the examined application without publication of unexamined application
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee