DE102006008166A1 - Method for photo-voltaic power production using solar cells, involves concentrating sunlight by reflector, reflector partly consists of thin film solar cells or is coated with thin film solar cells - Google Patents

Method for photo-voltaic power production using solar cells, involves concentrating sunlight by reflector, reflector partly consists of thin film solar cells or is coated with thin film solar cells Download PDF

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Abstract

The method involves concentrating the sunlight by a reflector. The reflector partly consists of thin film solar cells (2) or is coated with thin film solar cells. The reflector form is so selected that the direct solar radiation is lit up largely by total reflection. One solar cell illuminates and the non-concentrated diffuser radiation of the thin film solar cells is not transformed into electricity. The photovoltaic cell illuminated with concentrated light consists of high-value and efficient material and the solar cells (4) are low-priced. An independent claim is also included for the device for photo-voltaic power production using solar cells.

Description

Zur umweltfreundlichen Elektrizitätsgewinnung werden in letzter Zeit verstärkt photovoltaisch wirkende Solarzellen verwendet. Diese wandeln solare Strahlung direkt in elektrischen Strom um, indem jeweils ein Photon der Sonnenstrahlung ein Elektron in der Solarzelle freisetzt, wobei das Photon eine Mindestenergie besitzen muß, die bei den heute meistgenutzten Siliziumzellen bei Wellenlängen unter etwa 950 nm gegeben ist – zu kürzeren Wellenlängen hin steigt die Energie. Hat das Photon mehr Energie als für das Freisetzen des Elektrons benötigt wird, wird diese in der Zelle in Wärme umgewandelt.to environmentally friendly electricity generation are getting stronger recently used photovoltaic solar cells. These convert solar Radiation directly into electrical current by, in each case, a photon the solar radiation releases an electron in the solar cell, wherein the photon must have a minimum energy, which is the most used today Silicon cells at wavelengths is given below about 950 nm - too shorter wavelength the energy rises. Does the photon have more energy than release? the electron is needed this will heat up in the cell transformed.

Die gebräuchlichsten Solarzellen bestehen aus Silizium das in monokristalliner, polykristalliner oder amorpher Form verwendet wird. Der Wirkungsgrad und ebenso der Preis der Zellen verläuft in gleicher Reihenfolge.The common Solar cells are made of silicon in monocrystalline, polycrystalline or amorphous form is used. The efficiency and also the price the cells runs in the same order.

Zukünftig werden auch Materialien wie beispielsweise CIS, CdTe, GaAs, CuInSe2, aber auch organische, bzw. biologische Zellen etc., die noch nicht großtechnisch Verwendung finden, mehr Anteile erringen.In the future will be also materials such as CIS, CdTe, GaAs, CuInSe2, but also organic, or biological cells, etc., which are not yet large-scale Find use, gain more shares.

Um Zellenfläche zu sparen und damit die Gesamtkosten die sich zu etwa 60% aus Modulkosten, 15% Wechselrichterkosten und 25% Montagekosten zusammensetzen zu reduzieren, wird vor allem in sonnenbevorzugten Ländern das Sonnenlicht durch konzentrierende Spiegelflächen mit einem "sun" genannten Faktor, der Werte bis zum mehrhundertfachen der normalen Strahlungsintensität erreichen kann, auf die Solarzellen gelenkt. Diese Art des Konzentrierens ist mit mehreren Nachteilen verbunden, wobei außer dem Problem der Überhitzung der Zellen und der zusätzlich nötigen wirkungsgradverschlechternden aktiven Kühlung, das Verfahren nur bei direkter Strahlung funktioniert und bei diffuser, nicht konzentrierbarer Strahlung, durch die Spiegel sehr viel Fläche verschenkt wird.Around cell area to save and thus the total costs which are about 60% from module costs, 15% Reducing inverter costs and 25% assembly costs, Especially in sun-preferred countries, the sunlight is concentrated by concentrating mirror surfaces with a factor called "sun", which can reach values up to several hundred times the normal radiation intensity, directed to the solar cells. This way of concentrating is with several disadvantages, except for the problem of overheating the cells and the additional force efficiency-reducing active cooling, the process only at Direct radiation works and diffuse, not concentrated Radiation, through which mirrors a lot of space is given away.

Die vorzugsweise schmalen, streifenförmigen Solarmodule werden so im Zentrum der konzentrierten Solarstrahlung positioniert, daß sie relativ gleichmäßig beleuchtet werden um lokale Überhitzung zu vermeiden. Ihre Größe und dabei vor allem ihre Breite hängt vom Aufstellort und der gewünschten Konzentration ab. Auf einer Dachfläche wird man aus optischen und statischen Gründen kleinere (schmalere) Module und Konzentratoren verwenden als bei Freilandaufstellung.The preferably narrow, strip-shaped Solar modules thus become the center of concentrated solar radiation positioned that they illuminated relatively evenly be around local overheating to avoid. Your size and it especially their width depends from the place of installation and the desired Concentration. On a roof surface one becomes optical and static reasons use smaller (narrower) modules and concentrators than with Outdoor installation.

Da die Solarzellen bzw. die Solarmodule den größten Anteil an den Gesamtkosten haben, ist es ökonomisch sinnvoll diese Bauteile so klein wie möglich zu halten. Reflektoren sind pro Flächeneinheit sehr viel preiswerter und werden deshalb auch oft in Regio nen mit vielen Sonnenstunden und hoher Strahlungsintensität zur Umlenkung oder/und Konzentration des Lichtes verwendet. In Gegenden die nicht von der Sonne verwöhnt sind, z. B. Mittel- und Nordeuropa, ist der direkte Strahlungsanteil dagegen erheblich kleiner und beträgt übers Jahr etwa 50%, ebenso der diffuse.There the solar cells or the solar modules account for the largest share of the total costs it's economical It makes sense to keep these components as small as possible. reflectors are very high per unit area much cheaper and therefore often in regions with many Sunshine hours and high radiation intensity for diversion and / or concentration of the light used. In areas that are not spoiled by the sun, z. For example, Central and Northern Europe, the direct proportion of radiation is considerable smaller and over the year about 50%, as well as the diffuse.

Diffuses Licht hat den Nachteil, daß es sich nicht mittels brechenden oder reflektierenden Mitteln konzentrieren läßt. Solarzellen sind aber für beide Strahlungsarten annähernd gleich empfindlich.diffuse Light has the disadvantage that it Do not concentrate by refractive or reflective means leaves. solar cells but are for approximate both types of radiation equally sensitive.

Werden Solarmodule mit Konzentratoren kombiniert, bedeutet das, daß bei direkter Sonnenstrahlung und einem Konzentrationsfaktor von 10, 90% des Lichtes durch die Konzentratoren umgelenkt und 10% Direktstrahlung von der Solarzelle umgewandelt werden. Das Flächenverhältnis zwischen Konzentratoren und Solarzelle ist dem entsprechend 90/10. Ist keine direkte Strahlung sondern nur diffuses Licht vorhanden können nur die 10% Flächenanteil der Solarzellen genutzt werden, der 90% Anteil der Konzentratoren geht verloren.Become Solar modules combined with concentrators, this means that when direct Solar radiation and a concentration factor of 10, 90% of the light deflected by the concentrators and 10% direct radiation from the Solar cell to be converted. The area ratio between concentrators and solar cell is accordingly 90/10. Is not direct radiation but only diffused light can exist only the 10% area fraction the solar cells are used, the 90% share of concentrators gets lost.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem die Flächennutzung und der Wirkungsgrad verbessert ist.task The invention is to provide a method in which the land use and the efficiency is improved.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche und der Unteransprüche gelöst.According to the invention Problem solved by the features of the claims and the dependent claims.

Durch die Beschichtung der Konzentratoren mit billigen Solarzellen, beispielsweise amorphes Silizium, werden deren Reflexionseigenschaften nur mäßig beeinflußt und sie sind weiterhin in der Lage direkte Strahlung konzentrierend auf die zentrisch angeordnete, hochwertige Solarzelle zu lenken. Des weiteren können sie jedoch das nicht konzentrierbare diffuse Licht selbst in Elektrizität umwandeln. Das bedeutet, daß immer 100% der Gesamtfläche zur Lichtumwandlung zur Verfügung steht und sich nur die Anteile der beiden Wandler abhängig von der Strahlungsart ändern.By the coating of the concentrators with cheap solar cells, for example amorphous silicon, their reflection properties are only moderately affected and they are still able to focus on direct radiation to steer the centrically arranged, high quality solar cell. Furthermore can however, they convert the nonconcentrable diffused light itself into electricity. That means always 100% of the total area available for light conversion is and only the proportions of the two converters depends on change the type of radiation.

Vorzugsweise aber nicht ausschließlich wird die Form des Reflektors so gewählt, daß direkte Strahlungsanteile durch Totalreflexion an der sonnennahen Reflektorseite umgelenkt werden. Dadurch werden Spiegelverluste minimiert und durch die effizientere Wandlung des konzentrierten Lichtes in der höherwertigen Solarzelle wird der Wirkungsgrad verbessert.Preferably but not exclusively the shape of the reflector is chosen so that direct radiation components deflected by total reflection at the near-solar reflector side become. This minimizes mirror losses and more efficient ones Conversion of concentrated light in the higher-value solar cell is the efficiency improves.

Um bei ungünstigen Witterungseinflüssen wie Hagel, Sturm oder Schnee bestehen zu können ist es von Vorteil, wenn zumindest der Grundkörper des Reflektors aus hartem oder/und formstabilen Material gefertigt ist, insbesondere aus organischen oder anorganischen Stoffen, wie Glas, Keramik, Metall und Kunststoff oder Mischungen davon. Genannter Grundkörper kann direkt mit dünnen photovoltaisch wirksamen Schichten ausgestattet aber auch als Träger separat hergestellter Dünnschichtsolarzellen, bevorzugt in Form von Folien oder Kacheln etc., genutzt werden.In order to be able to withstand unfavorable weather conditions such as hail, storm or snow, it is advantageous if at least the main body of the reflector is made of hard or / and dimensionally stable material, in particular organic or inorganic materials such as glass, ceramic, metal and plastic or mixtures thereof. Said basic body can be equipped directly with thin photovoltaically active layers but can also be used as a carrier of separately produced thin-film solar cells, preferably in the form of films or tiles, etc.

Diese Träger werden so auf den Grundkörper aufgeklebt, gelegt, gespannt, etc., daß sie sich seiner Form zumindest weitgehend anpassen. Um die Reflexionseigenschaften einer Dünnschichtsolarzellenanordnung zu verbessern, ist es vorteilhaft einen Träger aus transparentem Material zu verwenden bei dem die Solarzellen auf der sonnenfernen Seite angeordnet sind. Ist das Trägermaterial beispielsweise Glas, kann bei Totalreflektion weit über 90% der direkten Strahlung auf die zentrale Solarzelle konzentriert und gleichzeitig die restliche Direktstrahlung und die diffuse Strahlung von den Dünnschichtsolarzellen umgewandelt werden.These carrier become so on the main body pasted, laid, stretched, etc., that they are at least in shape largely adapt. To the reflection properties of a thin-film solar cell assembly To improve, it is advantageous a carrier made of transparent material to use when the solar cells on the sun-far side are arranged. Is the carrier material glass, for example, can reach well over 90% with total reflection the direct radiation concentrated on the central solar cell and at the same time the remaining direct radiation and the diffuse radiation from the thin-film solar cells being transformed.

Sonnennachführung um mindestens eine Achse verbessert die Ausbeute immer dann wenn Direktstrahlung vorhanden ist. Um die Solarzellenanordnung auch auf Dächern von Wohngebäuden aufstellen zu können dürfen sie nicht sehr hoch aufbauen.Sun tracking around at least one axis improves the yield whenever direct radiation is available. To the solar cell arrangement also on roofs of residential buildings to be able to set up allowed to do not build it up very high.

Im folgenden werden erfindungsgemäße Solarzellenanordnungen beschrieben, die in den schematisierten Zeichnungen dargestellt sind.in the The following are solar cell arrangements according to the invention described in the schematic drawings are.

Es zeigt:It shows:

1 einen Querschnitt durch eine einzelne, nachführbare Solarzellenanordnung mit Konzentratoren, 1 a cross section through a single, trackable solar cell assembly with concentrators,

2 einen Querschnitt durch eine nachführbare Solarzellenanordnung mit mehreren Konzentratoren, 2 a cross section through a trackable solar cell assembly with multiple concentrators,

3 bis 5 die beispielhafte Position nachgeführter Konzentratoren im Tagesverlauf. 3 to 5 the exemplary position of tracked concentrators throughout the day.

Der in 1 im Längsschnitt gezeigte Wannenboden 5, der bevorzugt aus festem Material besteht, trägt eine hochwertige, für die Bestrahlung mit konzentrierter solarer Strahlung geeignete Solarzelle 4, die zur Kühlung von Wärmeträgerfluid durchströmt werden kann und vorzugsweise gut wärmeleitend mit dem Wannenboden 5 verbunden ist. Die mittels Lagervorrichtungen 3 in den Seitenwänden der Wanne 5 drehbar fixierten und aus dem wenigstens teilweise transparenten oder/und transluzenten, auf der sonnenabgewandten Seite zumindest teilweise mit Dünnschichtzellen 2 beschichteten Träger 1 bestehenden Konzentratoren 7, lenken die direkte solare Strahlung 8 wie in 2 gezeigt, auf die Solarzelle 4. Die transparente Abdeckung 6, die bevorzugt aus mineralischem oder Kunstglas besteht und auf den Seitenwänden der Wanne 5 aufliegt, kann mehrere Aufgaben erfüllen, indem sie die schmutzempfindlichen, lichtlenkenden Oberflächen vor negativen Witterungseinflüssen schützt, wärmeisolierend wirkt und durch eine geeignete, vorzugsweise reflexionsmindernde Oberflächenstrukturierung den Wirkungsgrad verbessert. Das Material des Trägers 1 wird bevorzugt so gewählt, daß die Wellenlängen der durchdringenden solaren Strahlung eine verlustarme Wandlung in Elektrizität ermöglichen. Dies kann beispielsweise durch fluoreszierende Eigenschaften erreicht werden.The in 1 in longitudinal section shown trough bottom 5 , which preferably consists of solid material, carries a high-quality, suitable for irradiation with concentrated solar radiation solar cell 4 , which can be flowed through for cooling of heat transfer fluid and preferably good thermal conductivity with the tub bottom 5 connected is. The by means of storage devices 3 in the side walls of the tub 5 rotatably fixed and from the at least partially transparent or / and translucent, on the sun-remote side at least partially with thin-film cells 2 coated carrier 1 existing concentrators 7 , direct the direct solar radiation 8th as in 2 shown on the solar cell 4 , The transparent cover 6 , which preferably consists of mineral or synthetic glass and on the side walls of the tub 5 rests, can fulfill several tasks by protecting the dirt-sensitive, light-guiding surfaces against adverse climatic influences, has a heat-insulating effect and improves the efficiency by a suitable, preferably reflection-reducing surface structuring. The material of the carrier 1 is preferably chosen so that the wavelengths of the penetrating solar radiation enable a low-loss conversion into electricity. This can be achieved for example by fluorescent properties.

Die 3 bis 5 zeigen andeutungsweise verschiedene Ausrichtungen der Konzentratoren die der Sonne nachgeführt werden. Die Nachführung kann ein- oder zweiachsig erfolgen. Der Abstand zwischen dem Wannenboden 5 und der Abdeckung 6 ist vorzugsweise so groß, daß die Konzentratoren auch über die Senkrechte hinaus verschwenkt werden können.The 3 to 5 suggestively different orientations of the concentrators are tracked to the sun. The tracking can be one or two axes. The distance between the bottom of the tub 5 and the cover 6 is preferably so large that the concentrators can also be pivoted beyond the vertical.

Claims (13)

Verfahren zur photovoltaischen Energiegewinnung mittels Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Sonnenlichtes durch wenigstes einen Reflektor bewirkt wird, der zumindest teilweise aus Dünnschichtsolarzellen besteht oder mit ihnen beschichtet ist.Process for photovoltaic energy production by means of solar cells, characterized in that the concentration of sunlight is effected by at least one reflector, which consists at least partially of thin-film solar cells or is coated with them. Verfahren zur photovoltaischen Energiegewinnung mittels Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorform so gewählt ist, daß die direkte solare Strahlung überwiegend durch Totalreflexion die mindestens eine Solarzelle beleuchtet und die nicht konzentrierbare diffuse Strahlung von den Dünnschichtsolarzellen in Elektrizität umgewandelt wird.Process for photovoltaic energy production by means of Solar cells, characterized in that the reflector shape is selected that the direct solar radiation predominantly illuminated by total reflection, the at least one solar cell and the non-concentrable diffuse radiation from the thin-film solar cells in electricity is converted. Verfahren zur photovoltaischen Energiegewinnung mittels Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine, mit konzentriertem Licht bestrahlte Solarzelle aus hochwertigem, leistungsfähigem Material besteht und die den mindestens einen Reflektor bedeckenden Solarzellen preisgünstige, leistungsschwächere Ausführungen sind.Process for photovoltaic energy production by means of Solar cells, characterized in that the at least one, with concentrated light irradiated solar cell made of high-quality, high-performance material consists and the at least one reflector covering solar cells low-cost, low-power versions are. Vorrichtung zur photovoltaischen Energiegewinnung mittels Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Dünnschichtsolarzelle auf der sonnenabgewandten Seite eines transparenten Trägers aufgebracht ist.Device for photovoltaic energy production by means of solar cells, characterized in that the at least one thin-film solar cell the sun-facing side of a transparent carrier applied is. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger transluzent, fluoreszent oder eine Mischung davon ist.Device according to claim 4, characterized in that that the carrier translucent, fluorescent or a mixture thereof. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teile der Reflektorfläche der Sonne nachgeführt werden können.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least parts the reflector surface followed by the sun can be. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teile der sonnenabgewendeten Reflektorfläche, die auch mit Dünnschichtzellen beschichtet sein können, zur verbesserten Kühlung abstrahlungsbegünstigenden Oberflächenbehandlungen unterzogen wurden. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least parts the sun-offset reflector surface, which also works with thin-film cells can be coated, for improved cooling irradiation-favorable surface treatments were subjected. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß verdunstungsbegünstigende Materialien aufgebracht sind.Device according to claim 7, characterized in that that evaporation favoring Materials are applied. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren einzeln oder gemeinsam oder in Gruppen bewegt werden können.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that Reflectors are moved individually or together or in groups can. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Solarzelle zumindest in der Nähe des Brennpunktes der konzentrierten Strahlung angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that central solar cell at least near the focus of the concentrated Radiation is arranged. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne 5 mit einer zumindest teilweise transparenten oder/und transluzenten Abdeckung 6 versehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the trough 5 with an at least partially transparent or / and translucent cover 6 is provided. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung mit einer, die solare Strahlung beeinflussende, Oberfläche ausgestattet ist.Device according to claim 11, characterized in that that the Cover equipped with a surface that influences the solar radiation is. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial der Dünnschichtzellen die Fähigkeit besitzt die Wellenlängen der solaren Strahlung so zu beeinflussen, daß minimale Wandlungsverluste entstehen.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that support material of the thin-film cells the ability owns the wavelengths To influence the solar radiation so that minimal conversion losses arise.
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