DE102007023583A1

DE102007023583A1 - Photovoltaik-Vorrichtung mit optischen Elementen zum Umlenken einfallender Sonnenstrahlen in einem gegebenen Spektralbereich auf an den optischen Elementen seitlich angebrachte Solarzellen

Info

Publication number: DE102007023583A1
Application number: DE102007023583A
Authority: DE
Original assignee: SOLARTEC AG
Current assignee: SOLARTEC AG
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-11-27
Also published as: WO2008141621A2; WO2008141621A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit mindestens einer Solarzelle und mindestens einem der Solarzelle zugeordneten ersten optischen Element, das die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem bestimmten Spektralbereich auf die mindestens eine an einer Seitenfläche des ersten optischen Elements angebrachte und das gesamte bestimmte Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung nutzende Solarzelle umlenkt und sonstig einfallende Strahlung durchlässt oder von der Fläche der mindestens einen Solarzelle weglenkt. Auch betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren dafür.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung (PV-Vorrichtung) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellverfahren für eine solche photovoltaische Vorrichtung (Solarmodul) mit mindestens einer Solarzelle zum direkten Umwandeln von Licht in elektrische Energie.
Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist seit ca. 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium auch direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Diese Solarzellen aus Silizium wandeln nur einen Teil des Spektrums der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom um.
Dabei werden häufig auch Dünnschichtsolarzellen zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrischen Strom verwendet.
Eine höhere Effizienz mit über 39% Umwandlung der Solarstrahlung kann durch den Einsatz von Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen (III-IV-Halbleitermaterial) wie z. B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt werden.
Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Single-, Tandem-, Tripelzellen oder Mehrfach-Stapelzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch Sonnenstrahlung mit einem breiteren Frequenzspektrum. Die großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch sehr kostenintensiv. Es wurde daher den Ansatz gewählt, die einfallende Sonnenstrahlung auf eine sehr kleine Fläche von z. B. unter einige hundert Quadratmillimetern oder sogar von unter einem Quadratmillimeter zu konzentrieren. Nur für diese kleine Fläche ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz kann dann bei unter 1% gegenüber dem großflächigen Einsatz solcher Zellen liegen. Durch die Konzentration lässt sich die hohe Lichtausbeute von Hochleistungs-PV-Zellen von zur Zeit über 39% nutzen.
Aus dem Dokument DE 103 20 663 A1 ist eine PV-Vorrichtung zum Konzentrieren von Sonnenstrahlung (hundert bis tausendfache Konzentration) auf Mikrosolarzellen aus Halbleitermaterial bekannt. Die PV-Vorrichtung weist ein geschlossenes Gehäuse auf, in dessen Inneren mindestens eine optische Einrichtung und mindestens eine zugeordnete Mikrosolarzelle angeordnet sind. Die mindestens eine optische Einrichtung konzentriert das einfallende Licht über das 100-fache jeweils auf eine zugeordnete Mikrosolarzelle mit einer kleinere Fläche als einigen hundert Quadratmillimetern. Zur Nachführung an dem Sonnenstand kann die mindestens eine optische Einrichtung unabhängig von der zugeordnete Mikrosolarzelle und von dem ortsfesten Gehäuse bewegt und so an die Sonne nachgeführt werden. Auch kann die Einheit aus einer Mikrosolarzelle und optischer Einrichtung unabhängig von dem umgebenden Gehäuse bewegt und so der Sonne nachgeführt werden. Da der Wirkungsgrad der Mikrosolarzelle mit zunehmender Temperatur sinkt, ist die darin verwendete Mikrosolarzellen jeweils mit einem Kühlkörper umgeben, der die anfallende Wärme von der zugeordneten Mikrosolarzelle abführen soll. Die Anbringungsart der Mikrosolarzellen in Inneren eines Gehäuses führt trotz vorhandenen Kühlkörpern um die Mikrosolarzellen zu Problemen bei der notwendigen Wärmeabführung, die dabei im Gehäuse gefangen bleibt, sowie zu Verunreinigungen der Innenseite der PV-Vorrichtung und der empfindlichen Mikrosolarzellen.
Solche Mikrosolarzellen sind sehr empfindlich gegen Umwelteinflüsse, bereits Staubkörner und kleine Schmutzpartikel oder Feuchtigkeit können ihre Funktion beeinträchtigen.
Da grundsätzlich nur die Verbindung mehrerer Photovoltaik-Vorrichtungen einen wirtschaftlichen Einsatz einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung ermöglicht, werden diese vorzugsweise zu einer Solaranlage zusammengefasst.
Nachteilig ist bei bekannten Solarmodulen oder Photovoltaik-Vorrichtungen, dass die darin verwendeten Solarzellen jeweils sehr genau auf der optischen Achse und/oder in dem Fokus des zugeordneten konzentrierenden optischen Elements positioniert werden muss, welches die einfallende Sonnenstrahlung auf die kleinere Fläche dieser konzentriert. Die dabei üblicherweise eingesetzten Linsensysteme haben ein hohes Gewicht, was zu einer erschwerten Nachführung an die Sonne und zu erhöhten Herstellungskosten wegen der großen eingesetzten Materialmengen führt.
Üblicherweise kann von den dabei verwendeten Solarzellen nur ein Teil der einfallenden Strahlung in Strom umgewandelt werden. Die umwandelbare Sonnenstrahlung weist Wellenfrequenzen ν auf, deren Photonenenergie hν über der Energielücke der in den Solarzellen eingesetzten Halbleitermaterialien liegt. Dieser von den Solarzellen nutzbare Teil der Strahlung ist eher kurzwellig.
Der Teil der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der Solarzellen nicht in Strom umgewandelt wird, ist eher langwellig und macht sich als Wärme bemerkbar. Da der Wirkungsgrad von Solarzellen mit einer Erhöhung der Temperatur absinkt, ist bei solchen Solarmodulen die Arbeitstemperatur der Solarzellen wegen der großen Wärmemengen, die während ihres Betriebs entstehen, oder wegen der einfallenden Wärmestrahlung (IR-Strahlung) schwer in einem Bereich zu halten, in dem die Solarzellen effektiv arbeiten können.
Üblicherweise wird Wärme, die beim Betrieb der Solarzellen oder durch die einfallende Wärmestrahlung verursacht wird, an die Umgebung mittels Luftkühlung oder über Kühlkörper abgeleitet. Bekannt ist es auch, wie z. B. aus dem Dokument DE 40166665 A1 hohe Konzentrationen der einfallenden Sonnenstrahlung zu vermeiden, um eine Überhitzung der darin verwendeten Solarzellen zu umgehen.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Hologrammstrukturen mit Beugungsgitter bekannt, die sich auf das auf sie auftreffende Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge dieses unterschiedlich auswirken. In dem Artikel „Fabrication of relief gratings an high photosensitive SiO2/ZrO2 gel film by UV exposure" von XuXiang, ZhouBin, LiuChunze, XuChao, WuGuangming, NiXingyuan, ShenJun, Key laboratory of waves and microstructure materials, Pohl Institute of Solid State Physics, Tongji University, Shanghai, China, 200092 ist ein ZrO₂-Gel-Film offenbart, der mit Benzoyl-Aceton chemisch verändert wird und in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wird. Im Sol-Gel-Prozess können sehr dünne Beschichtungen realisiert werden. Bei Sol-Gel-Prozessen kommt es zu einer Vielzahl von Hydrolyse- und Polymerisationsreaktionen, die die Herausbildung einer kolloidalen Lösung zur Folge haben. Partikel, die einen geringen Durchmesser von wenigen hundert Nanometern aufweisen und vorher in einer Flüssigkeit gelöst wurden, kondensieren daraufhin zu einem Gel. Photosensitive Gel-Filme werden hier jeweils auf einem Siliziumdioxidsubstrat überzogen und dann mit UV-Strahlung jeweils durch eine Maske belichtet und dann in Alkohol ausgelaugt. Letztendlich werden Beugungsgitter mit einer Periode von 2 μm und einer Tiefe von 80 nm erhalten. Das Absorptionsvermögen solcher Gel-Filme liegt bei den kürzeren Wellenlängen unter 300 nm. Solche Beugungsgitter haben sich als vorteilhaft bei der Herstellung von mikrooptischen Elementen wie Hologrammen für optische Kommunikation und für Optoelektronik erwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photovoltaik-Vorrichtung so aufzubauen, dass ein hoher Wirkungsgrad der Solarzellen über eine längere Zeit erhalten bleibt.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen. Ein vorteilhaftes Herstellverfahren hierfür ist Gegenstand des Nebenanspruchs.
Mit der erfindungsgemäßen Photovoltaikvorrichtung wird ein hoher Wirkungsgrad der Solarzellen über eine längere Zeit durch eine Stabilisierung der Arbeitstemperatur der Solarzellen in einem Bereich, in dem die Solarzellen effizient arbeiten können, erhalten.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erfolgt mittels mindestens eines ersten optischen Elements eine Umlenkung der unter einem bestimmten Winkel einfallenden Sonnenstrahlung in einem ausgewählten Spektralbereich auf mindestens eine zugeordnete, an einer Seitenfläche des optischen Elements angebrachte Solarzelle. Dabei wandelt die Solarzelle den gesamten bestimmten Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung gänzlich in elektrische Energie um. Die unter einem anderen als der bestimmte Winkel einfallende Strahlung in dem bestimmten Spektralbereich und die unter irgend einem Winkel einfallende Strahlung in einem anderen Spektralbereich als der bestimmte Spektralbereich wird dabei von dem ersten optischen Element durchgelassen oder von der Fläche der seitlich angebrachten Solarzelle weglenkt. Bekanntlich wandeln Solarzellen den Teilspektrum der auf sie einfallenden Sonnenstrahlung, den sie nicht in elektrische Energie umwandeln können, in Wärme um. Dadurch dass, das erste optische Element nur den von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum der einfallenden Sonnenstrahlung auf diese umlenkt, wird eine unerwünschte Erhöhung der Temperatur der Solarzellen vermieden. Da der Wirkungsgrad einer Solarzelle mit einer Erhöhung der Temperatur dieser sinkt, wird so eine hohe Effizienz der Solarzelle über eine längere Zeit erhalten.
An der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements können auch mehrere, solche, den gesamten bestimmen Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung nutzende Solarzellen vorhanden sein. So wird die Effizienz der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erhöht.
Um eine effizientere Ausnutzung der einfallenden Sonnenstrahlung zu erreichen sind vorzugsweise mehrere der ersten optischen Elemente mit jeweils mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle in der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung vorhanden.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung eine Vielzahl der ersten optischen Elementen auf, von denen mehrere erste optische Elemente die unter einem ersten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektrum auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken, mehrere erste optische Elemente die unter einem zweiten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektrum auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken, u. s. w.. Dadurch kann die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung auch ohne Nachführung arbeiten, da bei verschiedenen Sonnenständen die einfallende Sonnenstrahlung von einem Teil der in der Photovoltaik-Vorrichtung vorhandenen ersten optischen Elementen jeweils auf die mindestens eine zugeordnete Solarzelle umgelenkt wird.
Auch kann die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung vorzugsweise effizient arbeiten wenn sie eine Vielzahl der ersten optischen Elementen aufweist, von denen mehrere erste optische Elemente die unter einem bestimmten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in einem ersten bestimmten Spektralbereich auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken, mehrere erste optische Elemente die unter einem bestimmten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in einem zweiten bestimmten Spektrum auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken, u. s. w.. Die an den ersten optischen Elementen jeweils zugeordnete mindestens eine Solarzelle wandelt den von dem zugeordneten ersten Element auf sie umgelenkten Teilspektrum der einfallenden Sonnenstrahlung gänzlich in elektrische Energie um. So kann mit einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung einen breiteren Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt werden.
Bei einer bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mindestens ein erstes optisches Element auf, das die senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem bestimmten Spektralbereich auf die mindestens eine, an dem mindestens einen ersten optischen Element seitlich angebrachte und den bestimmten Spektrum nutzende Solarzelle um und sonstige Strahlung durchlässt oder weg von der Fläche der mindestens einen Solarzelle lenkt. Solch eine erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung wird stets an die Sonne nachgeführt und erbringt eine hohe Leistung über den ganzen Tag, da die Solarzellen über den ganzen Tag, solange die Sonne scheint, bestrahlt werden.
Durch die Anbringung von der mindestens einer Solarzelle auf einer Seitenfläche eines zugeordneten ersten optischen Elements ist der Aufbau und dadurch die Herstellungskosten einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung gegenüber dem Aufbau einer üblichen Photovoltaik-Vorrichtung mit optischen Elementen, die die einfallenden Sonnenstrahlung jeweils auf an ihrer der Sonne abgewandten Seite angebrachte Solarzellen bündeln, erleichtert. Bei einer erfindungsgemäßen PV-Vorrichtung entfällt der konstruktionelle Aufwand, der bei den üblichen Systemen durch die dabei erforderliche, sehr genaue Positionierung der Solarzellen auf der optischen Achse und/oder im Fokus des zugeordneten ersten optischen Elements auftritt.
Vorzugsweise weist das mindestens eine erste optische Element mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle mit einer kleineren Fläche als die Lichteintrittsfläche des zugeordneten ersten optischen Element auf. Dabei wird die unter einem bestimmten Winkel einfallende Strahlung in einem bestimmten Spektralbereich auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle mittels des zugeordneten ersten optischen Elements konzentriert werden und so die effektiv ausgenutzte Fläche der Solarzelle wesentlich reduziert, was zu einer Minimierung der Einkaufs- oder Herstellungskosten der verwendeten Solarzellen führt.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung sind vorzugsweise mehrere der mehreren optischen ersten Elemente insbesondere alle erste optische Elemente an einem gemeinsamen Lichteintrittskörper und/oder Lichtaustrittskörper ausgebildet. Dadurch können solche erfindungsgemäße, erste optische Elemente leichter gehandhabt und konstruiert werden. Das führt zu einer Reduzierung der Herstellungskosten einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung führt.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ist das mindesten eine erste optische Element vorzugsweise eben ausgebildet. So kann das mindestens ein erste optische Element sehr genau konstruiert werden. Auch bedarf die Konstruktion eines ebenen ersten optischen Elements weniger Aufwand als die Konstruktion eines ersten Elements, die gebogene, linsenartige Flächen aufweist.
Vorzugsweise weist das mindesten ein erstes optisches Element an seiner der Sonne zugewandten Seite eine erste Hologrammstruktur auf, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem sonstigen Spektralbereich als der bestimmte Spektralbereich unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
So kann eine Erhöhung der Arbeitstemperatur der mindestens einer Solarzelle zweifach vermieden werden, da so die von der mindestens einer Solarzelle in Wärme umwandelbaren Teil der einfallenden Sonnenstrahlung auf sie erst gar nicht auftrifft und durch die Anbringung der ersten Hologrammstruktur an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Element kann sich die einfallende Wärmestrahlung in dem mindestens einem ersten optischen Element nicht sammeln, da sie schon an seiner der Sonne zugewandten Seite zurück in die Außenumgebung umgelenkt wird. Dabei wird die einfallende Wärmestrahlung und/oder der Teil der einfallenden Strahlung, der von der mindestens einen Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbar ist und so weggelenkt. So wird eine Überhitzung der Solarzelle vermieden.
Die erste Hologrammstruktur weist vorzugsweise mehrere übereinander überlagerte, insbesondere ebene Hologrammschichten auf, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in mindestens einem Teilbereich des Spektralbereichs der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der mindestens einen Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbar ist, jeweils unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine Realisierung der ersten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung des von der mindestens einen zugeordneten Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum der einfallende Strahlung, da für jeden solchen Teilspektrum eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Vorzugsweise weist das erste optische Element an seiner der Sonne zugewandten Seite eine zweite Hologrammstruktur mit mindestens einer Hologrammschicht mit mehreren Hologrammbereichen mit unterschiedlicher Hologrammbeschaffenheit auf, wobei die Hologrammbereiche der mindestens einer Hologrammschicht die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in mindestens einem Teilbereich des sonstigen Spektralbereich als der bestimmte Spektralbereich unter unterschiedlichen spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade jeweils auf einen selben ersten Zielbereich umlenken, der auf der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements im seitlichen Abstand von der die mindestens eine Solarzelle aufweisenden Seitenfläche des ersten optischen Element unter dem ersten optischen Element, insbesondere unmittelbar unter diesem vorhanden ist, und Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich durchlässt.
Mittels der zweiten optischen Hologrammstruktur wird eine Bündelung der einfallenden Wärmestrahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge auf einen selben ersten Zielbereich erreicht werden, der auf der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements unter diesem, insbesondere unmittelbar unter diesem, im seitlichen Abstand von der die mindestens eine Solarzelle aufweisenden Seitenfläche des ersten optischen Elements vorhanden ist.
Bei einer besondere Ausführungsform der Erfindung weist das erste optische Element an seiner der Sonne zugewandten Seite eine dritte Hologrammstruktur auf, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem sonstigen Spektralbereich als der bestimmte Spektralbereich unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade jeweils auf mindestens einen zweiten Zielbereich umlenken, der auf der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements unter diesem, insbesondere unter diesem im seitlichen Abstand von der die mindestens eine Solarzelle aufweisenden Seitenfläche des ersten optischen Element vorhanden ist, und Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich durchlässt.
Mittels der dritten optischen Hologrammstruktur wird eine Umlenkung der einfallenden Wärmestrahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge auf den mindestens einen zweiten Zielbereich erreicht, der jeweils auf der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements unter diesem, insbesondere unmittelbar unter diesem, im seitlichen Abstand von der die mindestens eine Solarzelle aufweisenden Seitenfläche des ersten optischen Elements vorhanden ist.
Die dritte Hologrammstruktur weist vorzugsweise mehrere übereinander überlagerten, insbesondere ebene Hologrammschichten auf, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des sonstigen Spektralbereichs als der bestimmte Spektralbereich jeweils unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade auf einen zweiten Zielbereich umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine Realisierung der dritten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung des von der mindestens einen zugeordneten Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbaren Teil der einfallende Strahlung, da für jeden Teil dieses Spektrums eine auf diesen genau abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Durch die Anbringung der zweiten oder der dritten Hologrammstruktur an der der Sonne zugewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Elements wird die einfallende Wärmestrahlung aus der unmittelbaren Umgebung der mindestens einer Solarzelle weggelenkt und dadurch eine Überhitzung dieser in Folge der einfallenden Wärmestrahlung und/oder in Folge des von ihr in elektrische Energie nicht umwandelbaren Teils der einfallenden Sonnenstrahlung vermieden werden. Die Anbringung der zweiten oder der dritten Hologrammstruktur an der der Sonne zugewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Elements ist vorteilhaft, da dadurch eine Umlenkung der der von der Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbaren Teil der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie schon an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Element geschieht. So kann sich die einfallende Wärmestrahlung nicht in Bereiche des ersten optischen Elements sammeln, die sich in der unmittelbaren Umgebung seiner die mindestens eine Solarzelle aufweisende seitlichen Fläche befinden.
Bei einer besondere Ausführung der Erfindung ist unter dem Trägerkörper des mindestens einen ersten optischen Elements eine Wärmeleiterplatte oder einen Absorberkörper angebracht, die insbesondere ein Rohrleitungssystem aufweisen.
Der Absorberkörper weist insbesondere einen selektiven Absorber auf. Ein selektiver Absorber hat eine besonders hohe Aufnahmefähigkeit (Absorptionsgrad) für den Spektralbereich des Sonnenstrahlung, in dem die meiste Energie eingestrahlt wird, während die Abstrahlung infraroter Wärmestrahlung durch einen geringen Emissionsgrad minimiert wird. Einfache Absorberkörper wie z. B. schwarze Farbe nehmen dagegen Sonnenstrahlung so gut auf wie sie Wärmestrahlung abgeben. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen auf einem Absorberkörper wird kurzwellige, energiereiche Strahlung in langwellige Strahlung (Wärmestrahlung) umgewandelt. Wärme, die nicht direkt vom Absorber aufgenommen oder von diesem als Emission wieder abgestrahlt wird, wird durch eine bei üblichen Absorberkörper immer vorhandene Reflexionsscheibe zurück reflektiert. Sie ist somit im Absorberkörper gefangen.
Vorzugsweise sind die zweite und/oder die dritte Hologrammstrukturen so ausgebildet, dass der erste und/oder der zweite Zielbereich jeweils einen Teilbereich der Wärmeleiterplatte oder des Absorberkörpers ausbilden.
Der erhitzte Absorberkörper oder die erhitzte Wärmeleiterplatte überträgt die Wärme auf ein durch das mit dem Absorberkörper oder mit der Wärmeleiterplatte verbundenen Rohrleitungssystem fließende Wärmeträgermedium wie z. B. Wasser oder Öl. Diese transportiert die gesammelte Wärmeenergie zu einer thermische Nutzung wie z. B. einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher.
Die einfallende Wärme wird dabei mittels des durch das Rohrleitungssystem fließenden Wärmeträgermediums von dem ersten und/oder von dem zweiten Zielbereich der thermischen Nutzung zugeleitet und von dieser ausgenutzt. Die Wärme aus der unmittelbaren Umgebung der Solarzelle wird dabei abgeführt und eine Überhitzung dieser vermieden.
Vorzugsweise lenkt das mindestens ein erste optische Element, die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich an seiner der Sonne zugewandten Seite unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite senkrechten Gerade um, reflektiert diese wiederholt an seiner der Sonne abgewandten Seite und an seiner der Sonne zugewandten Seite nacheinander und lenkt sie dabei auf die mindestens eine zugeordnete Solarzelle um. Das mindestens ein erste optische Element lässt dabei die sonstige Sonnenstrahlung durch oder lenkt sie von der Fläche der Solarzelle weg.
Vorzugsweise weist das erste optische Element an seiner der Sonne zugewandten Seite eine vierte Hologrammstruktur auf. Durch die vierte Hologrammstruktur wird eine Aufspaltung der einfallenden Sonnenstrahlung in zwei Spektralbereiche erreicht. Die unter einem bestimmten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in dem von der mindestens einer Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Spektralbereich wird von der vierten Hologrammstruktur an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der darauf senkrechten Gerade umgelenkt und durch wiederholte Reflexion an der der Sonne abgewandten und zugewandten Seite des ersten optische Element auf die mindestens eine Solarzelle umgelenkt und dabei konzentriert und von dieser gänzlich in elektrischen Strom umgewandelt. Die einfallende Sonnenstrahlung in einem anderen Spektralbereich als der bestimmte Spektrum wird von der vierten Hologrammstruktur durchgelassen, erreicht deswegen die mindestens eine, an dem ersten optischen Element seitlich angebrachte Solarzelle nicht und kann von dieser auch nicht in Wärme umgewandelt werden. Durch die Verwendung der vierten Hologrammstruktur und durch die seitliche Anbringung der Solarzelle wird die Effizienz der mindestens einen Solarzelle erhöht, da die von der Solarzelle nutzbare Sonnenstrahlung auf diese konzentriert wird und gänzlich ins Strom umgewandelt wird. Auch kann die mindestens eine Solarzelle länger mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, da die von der mindestens eine Solarzelle in Wärme umwandelbaren sonstigen Spektralbereich der einfallenden Sonnenstrahlung bei einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erst gar nicht auf sie auftrifft und dadurch ihre Arbeitstemperatur auch nicht unnötig erhöhen kann.
Die vierte Hologrammstruktur umfasst vorzugsweise mehrere übereinander überlagerte, insbesondere ebene Hologrammschichten, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich jeweils unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade auf die mindestens eine Solarzelle umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine Realisierung der vierten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung des von der mindestens einen zugeordneten Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teil der einfallenden Strahlung, da für jeden Teil dieses Spektrums eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Bei einer besondere Ausführungsform der Erfindung ist an der der Sonne abgewandten Seite der vierten Hologrammstruktur eine transparente insbesondere ebene Schicht vorhanden. Zusätzlich ist der Material dieser Schicht mit einem solchen Brechungsindex ausgewählt, dass an der der Sonne abgewandten Seite dieser Schicht eine Totalreflexion der von der vierten Hologrammstruktur auf die mindestens eine Solarzelle umgelenkte Sonnenstrahlung auftritt. Dadurch kann die von der vierten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Element der Solarzelle zugeleitet und auf diese konzentriert werden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist auf der der Sonne zugewandten Seite der mindestens einen ersten optischen Element die erste Hologrammstruktur vorhanden, die die Strahlung, die von der mindestens einen vorhandenen Solarzelle nicht ins Strom umwandelbar ist, zurück in die Außenumgebung umlenkt, um eine Umlenkung dieser Strahlung durch Totalreflexion an der der Sonne abgewandten Seite der transparenten Schicht auf die mindestens eine Solarzelle zu vermeiden. Da die Solarzelle diesen Teil der Sonnenstrahlung umwandeln würde, ist die Solarzelle durch das Vorhandensein der ersten Hologrammstruktur von einer überflüssigen Erhitzung geschützt.
Insbesondere ist das mindestens ein erste optische Element so ausgebildet, dass die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich an seiner der Sonne abgewandten Seite unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf seiner der Sonne abgewandten Seite senkrechte Gerade umgelenkt wird und diese wiederholt an seiner der Sonne zugewandten Seite und dann an seiner der Sonne abgewandten Seite nacheinander reflektiert und so der zugeordneten Solarzelle zugeleitet wird.
Bei einer besondere Ausführungsform der Erfindung weist das erste optische Element an seiner der Sonne abgewandten Seite eine fünfte Hologrammstruktur auf. Durch die fünfte Hologrammstruktur wird eine Aufspaltung der einfallenden Sonnenstrahlung in zwei Spektralbereiche erreicht. Die unter einem bestimmten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in dem von der mindestens einer Solarzelle in elektrischen Strom umwandelbaren Spektralbereich wird von der fünften Hologrammstruktur an der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der darauf senkrechten Gerade umgelenkt. Diese umgelenkte Strahlung wird dann durch wiederholte Reflexion an der der Sonne zu- und abgewandten Seite des ersten optische Elements der mindestens einer Solarzelle zugeleitet und von dieser gänzlich ins Strom umgewandelt. Die einfallende Sonnenstrahlung in einem anderen Spektralbereich als der bestimmte Spektralbereich wird von der fünften Hologrammstruktur durchgelassen, erreicht deswegen die mindestens eine, vorhandene Solarzelle nicht und kann von dieser auch nicht in Wärme umgewandelt werden.
Die fünfte Hologrammstruktur umfasst vorzugsweise mehrere übereinander überlagerte, insbesondere ebene Hologrammschichten, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich jeweils unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade auf die mindestens eine Solarzelle umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine Realisierung der fünften Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung des von der mindestens einen zugeordneten Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teil der einfallende Strahlung, da für jeden Teil dieses Spektrums eine auf diesen sehr genau abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Bei einer besondere Ausführungsform der Erfindung ist an der der Sonne zugewandten Seite der fünften Hologrammstruktur eine transparente insbesondere ebene Schicht vorhanden. Zusätzlich ist der Material dieser Schicht mit einem solchen Brechungsindex ausgewählt, dass an der der Sonne zugewandten Seite dieser Schicht eine Totalreflexion der von der fünften Hologrammstruktur auf die mindestens eine Solarzelle umgelenkte Sonnenstrahlung auftritt. Dadurch kann die von der fünften Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung an der der Sonne zugewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Element der Solarzelle zugeleitet werden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist auf der der Sonne zugewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Elements eine erste Hologrammstruktur vorhanden, die die Sonnenstrahlung, die von der mindestens einen vorhandenen Solarzelle nicht ins Strom umwandelbar ist, zurück in die Außenumgebung umlenkt, da diese Strahlung durch Totalreflexion an der der Sonne zugewandten Seite der transparenten Schicht auf die mindestens eine Solarzelle auch umgelenkt werden würde, von dieser dabei in Wärme umgewandelt werden würde und die Solarzelle würde dabei unnötig erhitzt werden.
Vorzugsweise weist das erste optische Element an seiner der Sonne zugewandten Seite einen halbdurchlässigen Spiegel auf, der die an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Elements umgelenkte und/oder reflektierte Sonnenstrahlung reflektiert und auf ihn einfallende Sonnenstrahlung durchlässt. So kann die von der vierten oder der fünften Hologrammstruktur umgekenkte Sonnenstrahlung auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements der Solarzelle zugeleitet, auf diese konzentriert und dabei gänzlich in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Das erste optische Element weist insbesondere an seinem der Sonne zugewandten Seite eine sechste Hologrammstruktur auf, die die an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Element umgelenkte und/oder reflektierte Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt. So kann die von der vierten oder der fünften Hologrammstruktur umgekenkte Sonnenstrahlung der mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements der Solarzelle zugeleitet, und von dieser gänzlich ins Strom umgewandelt werden.
Die sechste Hologrammstruktur umfasst insbesondere mehrere übereinander überlagerte Hologrammschichten auf, die die an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Elements reflektierte und/oder umgelenkte Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereichs jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine Realisierung der sechsten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Reflektion des von der mindestens einen zugeordneten Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teils der einfallenden Strahlung, da für jeden Teil dieses Spektrums eine auf diesen sehr genau abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Das erste optische Element weist vorzugsweise an seiner der Sonne abgewandten Seite einen Spiegel auf, der die an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements umgelenkte und/oder reflektierte Sonnenstrahlung reflektiert. So kann die von der vierten oder der fünften Hologrammstruktur umgekenkte Sonnenstrahlung auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle an der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements der mindestens einen Solarzelle zugeleitet werden, und von dieser dabei gänzlich in elektrischen Strom umgewandelt werden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist auf der der Sonne zugewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Elements eine erste Hologrammstruktur vorhanden, die diese Strahlung, die von der mindestens einen vorhandenen Solarzelle nicht ins Strom umwandelbar ist, zurück in die Außenumgebung umlenkt, da diese Strahlung durch Reflexion an der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements vorhandenen Spiegels auf die mindestens eine Solarzelle auch umgelenkt werden würde und von dieser dabei in Wärme umgewandelt werden würde. Dabei wäre die Solarzelle unnötig erhitzt.
Das erste optische Element weist vorzugsweise an seiner der Sonne abgewandten Seite eine siebte Hologrammstruktur auf, die die an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements umgelenkte und/oder reflektierte Sonnenstrahlung erneut reflektiert und sonstig auf ihr auftreffende Strahlung durchlässt. So kann die von der vierten oder der fünften Hologrammstruktur umgekenkte Sonnenstrahlung der mindestens einen vorhandenen Solarzelle an der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements zugeleitet werden und von dieser gänzlich ins Strom umgewandelt werden.
Die siebte Hologrammstruktur umfasst insbesondere mehrere übereinander überlagerte Hologrammschichten auf, die jeweils das an seiner der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Elements umgelenkte und/oder reflektierte Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereichs reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Die siebte Hologrammstruktur umfasst vorzugsweise mehrere übereinander überlagerte, insbesondere ebenen Hologrammschichten, die jeweils die an der der Sonne zugewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Elements umgelenkte und/oder reflektierte Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereichs reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine Realisierung der sechsten Hologrammstruktur ist besonders einfach, kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Reflexion des von der mindestens einen zugeordneten Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teils der einfallenden Strahlung, da für jeden Teil dieses Spektrums eine darauf sehr genau abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Solarzelle in unmittelbarem Kontakt mit einer seitlichen Fläche des ersten optischen Elements angebracht und weist insbesondere eine Fläche auf, die die der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements gleicht.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der mindestens einer Solarzelle und der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements ein zweites optisches Element mit Linsencharakter vorhanden, das die auf die seitliche Fläche des die mindestens eine Solarzelle aufweisenden ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich in der Weise umlenkt, dass diese gleichmäßig auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle auftrifft. Insbesondere weist das zweite optische Element mindestens eine Hologrammstruktur auf, die die auf die seitliche Fläche des die mindestens eine Solarzelle aufweisenden ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich in der Weise umlenkt, dass diese einen parallelen, gleichmäßigen und auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle senkrecht auftreffenden Strahlenbündel ist. Eine gleichmäßige Verteilung der auf die Solarzelle auftreffende Strahlung auf ihrer Fläche ist besonders vorteilhaft, da so die Werte des von der mindestens einer Solarzelle erzeugten elektrischen Stroms genau vorhersagbar und so gut handhabbar sind. Außerdem kann so eine lokale Überlastung der mindestens einen Solarzelle vermieden werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Solarzelle eine Fläche auf, die größer als die seitliche Fläche des ersten optischen Elements ist. Dabei hat das vorhandene zweite optische Element einen Streulinsencharakter. Durch eine Verminderung der Konzentration der auf die mindestens eine Solarzelle umgelenkte Sonnenstrahlung kann eine Überlastung der mindestens einer Solarzelle vermieden werden und ihre Leistung genau kontrolliert werden. Durch eine Vermeidung der Überlastung der mindestens einer Solarzelle wird die Lebensdauer dieser erhöht.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Solarzelle eine Fläche auf, die kleiner als die seitliche Fläche des ersten optischen Elements ist. Das vorhandene zweite optische Element hat dabei einen Sammellinsencharakter. Durch eine Konzentration der auf die mindestens eine Solarzelle auftreffende Sonnenstrahlung kann eine weitere Konzentration der auf die Solarzelle ungelenkte Sonnenstrahlung erreicht werden und so können Solarzellen mit einer kleinerer Fläche eingesetzt werden. Dabei werden die Einkaufs- oder Herstellungskosten der mindestens einen verwendeten Solarzelle verringert.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine der Hologrammstrukturen des ersten und/oder des zweiten optischen Elements mindestens einen photosensitiven Gel-Film mit mindestens einem Beugungsgitter mit einer gegebenen Periode und Tiefe auf. Die Beugungsgitter solch mindestens einer Hologrammstruktur sind dabei sehr genau und kostengünstig realisierbar. Dabei kann eine sehr genaue Umlenkung des auf diese auftreffende Sonnenstrahlung erzielt werden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform mit mindestens einem ersten optischen Element mit einer vierten Hologrammstruktur und einer transparenten Schicht.
2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform mit mindestens einem ersten optischen Element mit einem zweiten optischen Element mit Sammellinsencharakter, Wärmeleiterplatte und Rohrleitungssystem.
In 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung oder des Solarmoduls 10 dargestellt.
Jedes Solarmodul 10 weist mehrere erste optische Elemente 15 auf, die jeweils an einer ersten Seitenfläche 20 eine Solarzelle 25 aufweisen. Die Solarzelle 25 kann einen gegebenen ersten, eher kurzwelligen Teil des Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung 30 in elektrische Energie umwandeln. Dabei kann der sonstige, langwelligere Teil des Spektrums der einfallenden Sonnenstrahlung 35 von der Solarzelle 25 nur in Wärme umgewandelt werden.
An seiner der Sonne zugewandten Seite weist das erste optische Element 15 eine erste ebene Hologrammstruktur 40 auf, die die einfallende, eher langwellige Sonnenstrahlung 35 unter einem stumpfen Winkel (> 90°, < 180°) zurück in die Außenumgebung umlenkt insbesondere reflektiert und die eher kurzwellige, einfallende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich durchlässt.
Die von der ersten Hologrammstruktur 40 durchgelassene, kurzwellige Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 werden dann mittels einer auf der der Sonne abgewandten Seite der ersten Hologrammstruktur 40 angebrachten vierten Hologrammstruktur 45 unter einem spitzen Winkel (0, < 90°) gegenüber der auf die vierte Hologrammstruktur 45 senkrechten Gerade umgelenkt.
Die von der vierten Hologrammstruktur 45 umgelenkte Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich 30 passiert den auf der der Sonne abgewandten Seite der vierten Hologrammstruktur 40 vorhandenen halbdurchlässigen Spiegel 50.
An der der Sonne abgewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegels 50 ist eine transparente Schicht 55 vorhanden. Die Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 wird an der Übergangsfläche zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 50 und der transparenten Schicht 55 gebrochen und passiert dann die transparente Schicht 55. Das Material oder die Materialmischung der transparenten Schicht 55 ist so ausgewählt, dass die Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 an der der Sonne abgewandten Seite der transparenten Schicht total reflektiert wird. Nach der totalen Reflektion, wird die Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 an der verspiegelten, der Sonne abgewandten Seite des halbdurchlässigen Siegel 50 wieder reflektiert, dann erneut an der der Sonne abgewandten Seite der transparenten Schicht 55 reflektiert u. s. w..
Schließlich erreicht die Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 die Solarzelle 25 und wir von dieser 25 vollständig in elektrische Energie umgewandelt. Die einfallenden Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 wird von der ersten Hologrammstruktur zurück in die Außenumgebung umgelenkt, erreicht die Solarzelle 25 nicht und kann von dieser 25 nicht in Wärme umgewandelt werden. So wird eine Überhitzung der Solarzelle 25 vermieden und ihre Arbeitstemperatur in einem Bereich gehalten, in dem die Solarzelle 25 effizient Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandelt. Dabei wird die Effizienz und die Lebensdauer der Solarzelle 25 erhöht.
Die ersten vorhandenen optische Elemente 15 sind an ihrer der Sonne zugewandten Seite an einer transparenten Lichteintrittsplatte 60 angebracht, der den gemeinsamen Lichteintrittskörper der Photovoltaik-Vorrichtung 10 bildet, und welchen von der einfallenden Sonnenstrahlung 29 passiert wird, bevor diese 29 jeweils von einem ersten optischen Element 15 in verschiedenen Spektralbereichen 30, 35 aufgespaltet wird.
Die ersten vorhandenen optische Elemente 15 sind an ihrer der Sonne abgewandten Seite an einem gemeinsamen Trägerkörper 60 befestigt.
Bei einer in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung 10 weist das erste optische Element 15 auf seiner der Sonne zugewandten Seite eine zweite Hologrammstruktur 65 auf, die mehrere Hologrammbereiche 66, 67 mit unterschiedlicher holografische Beschaffenheit aufweist, die die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 auf einen ersten Zielbereich 70, der unter dem ersten optischen Element 15, im seitlichen Abstand von der Solarzelle 25 vorhanden ist.
Alle vorhandenen erste optische Elemente 15 sind an ihrer der Sonne abgewandten Seite mit einer Wärmeleiterplatte 75 verbunden. Die ersten Zielbereiche 70, die jeweils einem ersten optischen Element 15 zugeordnet sind, bilden Teilbereiche der Wärmeleiterplatte 75.
Ein Rohrleitungssystem 80 ist mit der der Sonne abgewandten Seite der Wärmeleiterplatte 75 verbunden und ist insbesondere unter den ersten Zielbereiche 70 vorhanden. So kann die auf den ersten Zielbereiche 70 gebündelte, eher langwelligere einfallende Wärmestrahlung das Rohrleitungssystem 80 über die Wärmeleiterplatte 75 erreichen und dann von einem durch das Rohrleitungssystem 80 durchfließendes Wärmeträgermedium wie Wasser oder Öl (nicht dargestellt) an einer thermischen Nutzung (nicht dargestellt) transportiert. Die einfallenden Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 kann so von einer thermischen Nutzung ausgenutzt werden.
Auf der der Sonne abgewandten Seite der zweite Hologrammstruktur 65 ist einen halbdurchlässigen Spiegel 50 angebracht, der von der von der zweiten Hologrammstruktur 65 durchgelassene Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 passiert wird.
An der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Element 15 ist eine fünfte Hologrammstruktur 85 vorhanden, die die auf sie auftreffende Sonnenstrahlung 30 in dem ersten Spektralbereich unter einem stumpfen Winkel Gegenüber der auf die fünfte Hologrammstruktur 85 senkrechten Gerade umlenkt und auf sie 85 auftreffende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 durchlässt.
Die von der fünften Hologrammstruktur 85 umgelenkte Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 35 wird dann an der verspiegelten, der Sonne abgewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegels 50 reflektiert, von der fünften Hologrammstruktur 85 durchgelassen, von der die an der der Sonne zugewandten Seite der fünften Hologrammstruktur 85 vorhandenen siebte Hologrammstruktur 90 reflektiert, dann erneut an der der Sonne abgewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegels 50 reflektiert u. s. w.. Die fünfte Hologrammstruktur 85 ist so ausgebildet, dass sie 85 die einfallende Strahlung in dem ersten Spektralbereich 30 unter so einem Winkel umlenkt, dass die siebte Hologrammstruktur 90 diese nicht umlenken kann, sondern durchlässt. Das bedeutet, dass die fünfte Hologrammstruktur 85 die einfallende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 unter einem solchen Winkel gegenüber der auf die fünfte Hologrammstruktur 85 senkrechten Gerade umlenken muss, der sich wesentlich von dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich 30 unterscheidet, der von der auf die fünfte Hologrammstruktur 85 senkrechten Gerade und die einfallende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 gebildet ist.
Schließlich erreicht die Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 die erste Seitenfläche 20 des ersten optischen Elements 15, an der einen zweiten optischen Element mit Sammellinsencharakter 95 vorhanden ist. Die auf das zweite optische Element 95 auftreffende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 35 wird von diesem 95 auf die Fläche der Solarzelle 25 gebündelt und dann von dieser 25 vollständig in elektrische Energie umgewandelt.
Die Solarzelle 25 weist in diesem Fall eine Fläche auf, die jeweils kleiner ist als die Lichteintrittsfläche des ersten 15 und des zweiten optischen Elements 15. So können die Einkaufs- oder Herstellungskosten der eingesetzten Solarzellen 25 reduziert werden.
Die auf die siebte Hologrammstruktur 90 auftreffende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 wird von dieser 90 durchgelassen und treffen auf die an der der Sonne abgewandten Seite dieser 90 vorhandenen Wärmeleiterplatte 75 auf.
Durch diesen Aufbau erreicht die einfallenden Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 die Solarzelle 25 nicht und kann von dieser 25 nicht in Wärme umgewandelt werden. So wird eine Überhitzung der Solarzelle 25 vermieden und ihre Arbeitstemperatur in einem Bereich gehalten, in dem die Solarzelle 25 effizient Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandelt. Dabei wird die Effizienz und die Lebensdauer der Solarzelle 25 erhöht.

10: Photovoltaik-Vorrichtung
15: erstes optisches Element
20: erste Seitenfläche des ersten optischen Elements
25: Solarzelle
29: einfallende Sonnenstrahlung
30: einfallende Sonnenstrahlung in einem ersten Spektralbereich
35: einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich
40: erste Hologrammstruktur
45: vierte Hologrammstruktur
50: halbdurchlässiger Spiegel
55: transparente Schicht
60: gemeinsamen Lichteintrittsplatte
61: gemeinsamen Trägerkörper
65: zweite Hologrammstruktur
66, 67: Bereiche der zweiten Hologrammstruktur 65 mit unterschiedlicher holografischer Beschaffenheit
70: erster Zielbereich
75: Wärmeleiterplatte
80: Rohrleitungssystem
85: fünfte Hologrammstruktur
90: siebte Hologrammstruktur
95: zweites optisches Element mit Sammellinsencharakter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10320663 A1 [0006]
- DE 40166665 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Fabrication of relief gratings an high photosensitive SiO2/ZrO2 gel film by UV exposure" von XuXiang, ZhouBin, LiuChunze, XuChao, WuGuangming, NiXingyuan, ShenJun, Key laboratory of waves and microstructure materials, Pohl Institute of Solid State Physics, Tongji University, Shanghai, China [0013]

Claims

Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit mindestens einer Solarzelle und mindestens einem der Solarzelle zugeordneten ersten optischen Element, das die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem bestimmten Spektralbereich auf die mindestens eine an einer Seitenfläche des ersten optischen Element angebrachte und den gesamten bestimmten Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung nutzende Solarzelle umlenkt und sonstig einfallende Strahlung durchlässt oder von der Fläche der mindestens einen Solarzelle weglenkt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Solarzellen und eine Vielzahl von ersten optischen Elementen aufweist, die jeweils eine Lichteintrittsfläche aufweisen, die wesentlich größer als die Fläche einer Solarzelle ist, wobei jeder Solarzelle mindestens eines der ersten optischen Elemente zugeordnet ist oder jedem ersten optischen Element mehrere jeweils den gesamten bestimmten Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung nutzende Solarzellen zugeordnet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die mehreren optischen ersten Elemente an einem gemeinsamen Lichteintrittskörper und/oder Lichtaustrittskörper ausgebildet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element eben ausgebildet ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element an seiner der Sonne zugewandten Seite eine erste Hologrammstruktur aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem sonstigen Spektralbereich als der bestimmte Spektralbereich unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur mehrere übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des sonstigen Spektralbereichs als der bestimmte Spektralbereich jeweils unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element an seiner der Sonne zugewandten Seite eine zweite Hologrammstruktur mit mindestens einer Hologrammschicht mit mehreren Hologrammbereichen mit unterschiedlicher Hologrammbeschaffenheit aufweist, wobei die Hologrammbereiche einer Hologrammschicht die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in mindestens einem Teilbereich des sonstigen Spektralbereichs als der bestimmte Spektralbereich unter unterschiedlichen spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade jeweils auf einen selben ersten Zielbereich umlenken, der auf der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements im seitlichen Abstand von der die mindestens eine Solarzelle aufweisenden Seitenfläche des ersten optischen Elements unter dem ersten optischen Element, insbesondere unmittelbar unter diesem vorhanden ist, und Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element an seiner der Sonne zugewandten Seite eine dritte Hologrammstruktur aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem sonstigen Spektralbereich als der bestimmte Spektralbereich unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade jeweils auf mindestens einen zweiten Zielbereich umlenkt, der auf der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements in seitlichen Abstand von der die mindestens eine Solarzelle aufweisenden Seitenflache des ersten optischen Element unter dem ersten optischen Element, insbesondere unmittelbar unter diesem vorhanden ist, und Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die dritte Hologrammstruktur aus mehreren übereinander angeordneten Hologrammschichten ausgebildet ist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des sonstigen Spektralbereichs als der bestimmte Spektralbereich jeweils unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade auf einen zweiten Zielbereich umlenken, der auf der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements in seitlichen Abstand von der die mindestens eine Solarzelle aufweisenden Seitenfläche des ersten optischen Element unter dem ersten optischen Element, insbesondere unmittelbar unter diesem vorhanden ist, und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element, die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich an seiner der Sonne zugewandten Seite unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite senkrechten Gerade umlenkt und dieses wiederholt an ihrer der Sonne abgewandten Seite und dann an ihrer der Sonne zugewandten Seite nacheinander reflektiert und so auf die mindestens eine zugeordnete Solarzelle umlenkt und die sonstige Sonnenstrahlung durchlässt oder von der Fläche der Solarzelle weglenkt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element an seiner der Sonne zugewandten Seite eine vierte Hologrammstruktur aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der darauf senkrechten Gerade umlenkt und das sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Hologrammstruktur aus mehreren übereinander gelagerten Hologrammschichten ausgebildet ist, die jeweils das unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektrums unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 soweit diese auf Anspruch 5 oder 6 zurückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Hologrammstruktur auf ihrer der Sonne abgewandten Seite eine transparente Schicht aufweist, wobei für auf die transparente Schicht auftreffende Sonnenstrahlung in dem gesamten bestimmten Spektralbereich an ihrer der Sonne abgewandten Seite Totalreflektion auftritt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element, das die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich an seiner der Sonne abgewandten Seite unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite senkrechte Gerade umlenkt und dieses wiederholt an ihrer der Sonne zugewandten Seite und dann an ihrer der Sonne abgewandten Seite nacheinander reflektiert und so auf die zugeordnete Solarzelle ablenkt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element an seiner der Sonne abgewandten Seite eine fünfte Hologrammstruktur aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht auf ihr einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Hologrammstruktur mehrere übereinander gelagerte Hologrammschichten aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht auf sie einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereichs jeweils unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandte Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16 soweit sie auf die Ansprüche 5 oder 6 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Hologrammstruktur an seiner der Sonne zugewandten Seite eine transparenten Schicht aufweist, wobei für auf die transparente Schicht auftreffende Sonnenstrahlung in dem gesamten bestimmten Spektralbereich an ihrer der Sonne zugewandten Seite Totalreflektion auftritt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 und 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element an der der Sonne zugewandten Seite einen halbdurchlässigen Spiegel aufweist, der die an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Element umgelenkte und/oder reflektierte Sonnenstrahlung reflektiert und auf ihn einfallende Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 und 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element an seinem der Sonne zugewandten Seite eine sechste Hologrammstruktur aufweist, die das an der der Sonne abgewandten Seite der mindestens einen ersten optischen Struktur reflektierte Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die sechste Hologrammstruktur mehrere übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die jeweils das an seiner der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Element reflektierte Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereichs reflektieren und/oder umgelenkte und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, 14 bis 16 und 17 bis 19 soweit diese auf Anspruch 5 oder 6 zurückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element an der der Sonne abgewandten Seite einen Spiegel aufweist, der die auf ihn auftreffende Sonnenstrahlung reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, 14 bis 16 und 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element an der der Sonne abgewandten Seite eine siebte Hologrammstruktur aufweist, die die an der der Sonne zugewandten Seite des optischen Elements umgelenkte und/oder reflektierte Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die siebte Hologrammstruktur mehrere übereinander gelagerte Hologrammschichten aufweist, die die an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements reflektierte und/oder umgelenkte Strahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektrum jeweils reflektieren und sonstige Strahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle in unmittelbarem Kontakt mit der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements angebracht ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mindestens einer Solarzelle und der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements ein zweites optisches Element vorhanden ist, das die auf die seitlichen Fläche des die mindestens eine Solarzelle aufweisenden ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich in der Weise umlenkt, dass diese gleichmäßig auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle auftrifft.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element mindestens eine Hologrammstruktur aufweist, die die auf die seitliche Fläche des die mindestens eine Solarzelle aufweisenden ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich in der Weise umlenkt, dass diese einen parallelen auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle senkrechten Strahlenbündel ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle eine Fläche aufweist, die der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements gleicht.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle eine Fläche aufweist, die größer ist als die seitliche Fläche des ersten optischen Elements ist und dass das zweite optische Element einen Streulinsencharakter aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle eine Fläche aufweist, die kleiner ist als die seitliche Fläche des ersten optischen Element ist und dass das zweite optische Element einen Sammellinsencharakter aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hologrammstruktur des ersten und/oder des zweiten optischen Elements mindestens ein Beugungshologramm mit einem gegebenen Beugungswinkel aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Hologrammstrukturen des ersten und/oder des zweiten optischen Elements mindestens einen photosensitiven Gel-Film mit mindestens einem Beugungsgitter mit einer gegebenen Periode und Tiefe umfasst.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche soweit sie auf einen der Ansprüche 7 bis 9 zurückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleiterplatte oder einen Absorberkörper für Solarthermiezwecke mit der der Sonne abgewandten Seite des Lichtaustrittskörpers verbunden ist, wobei der Absorberkörper vorzugsweise einen selektiven Absorber aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrleitungssystem auf der der Sonne abgewandten Seite der Wärmeleiterplatte oder des Absorberkörpers angebracht ist und zum Ableiten von in der Photovoltaikvorrichtung durch Sonnenstrahlung entstehender Wärme mittels eines Wärmeträgermediums und zum Zuleiten des so erwärmten Wärmeträgermediums zu einer thermischen Nutzung dient.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Solarzelle eine Dünnschichtsolarzelle ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Solarzelle eine Siliziumzelle, insbesondere großflächige Siliziumzelle ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Solarzelle eine Mikrosolarzelle ist, insbesondere mit einer Flächenausdehnung von gleich oder weniger als ca. 100 mm².
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Solarzelle eine Mehrschichtzelle aus Halbleiterverbindungen, insbesondere Tandem oder Tripelzellen aus III-V-Halbleiterverbindungen, ist.
Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine beliebige Reihenfolge der folgenden Schritte: i100) Vorsehen mindestens eines ersten insbesondere ebenen optischen Elements, bei dem die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem bestimmten Spektralbereich auf eine erste Seitenfläche des ersten optischen Elements umgelenkt und die sonstig einfallende Strahlung durchgelassen oder von der ersten Seitenfläche weggelenkt wird, i200) Vorsehen mindestens einer den bestimmten Spektrum nutzenden Solarzelle pro einzelnes erstes optisches Element, i300) Anbringen der mindesten einen Solarzelle auf die erste Seitenfläche des ersten optischen Elements, insbesondere in unmittelbarem Kontakt mit dieser ersten Seitenfläche.
Verfahren nach Anspruch 38 gekennzeichnet durch den vor dem Schritt i200) durchzuführenden Schritt: i150) Auswählen oder Herstellen von mindestens einer Solarzelle mit einer größere Fläche als die Lichteintrittsfläche des mindestens einen ersten optischen Elements.
Verfahren nach Anspruch 38 oder 39 gekennzeichnet durch die nach dem Schritt i300) durchzuführende Schritte: i400) Vorsehen eines Lichteintrittskörpers und/oder Lichtaustrittskörpers, i500) Anbringen einer Vielzahl von jeweils mit der mindestens einer Solarzelle vorgesehenen ersten optischen Elementen an dem gemeinsamen Lichteintrittskörper und/oder Lichtaustrittskörper.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 40 gekennzeichnet durch dem von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements einer ersten Hologrammstruktur, an der die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem sonstigen Spektralbereich als der bestimmte Spektralbereich unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umgelenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 41 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Ausbilden der ersten Hologrammstruktur aus mehreren insbesondere ebenen Hologrammschichten, die so ausgewählt und überlagert werden, dass an denen die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des sonstigen Spektralbereichs als der bestimmte Spektralbereich jeweils unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade von je einer entsprechenden Hologrammschicht umgelenkt wird und sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 40 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements einer zweiten Hologrammstruktur mit mindestens einer Hologrammschicht mit mehreren Hologrammbereichen mit unterschiedlicher Hologrammbeschaffenheit, wobei an den mehreren Hologrammbereichen der mindestens einer Hologrammschicht die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in mindestens einem Teilbereich des sonstigen Spektralbereichs als der bestimmte Spektralbereich unter unterschiedlichen spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade auf einen selben ersten auf der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements unter diesem, insbesondere unmittelbar unter diesem und in seitlichem Abstand von der ersten Seitenfläche des ersten optischen Element vorhandenen Zielbereich umgelenkt und die Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 38 bis 40 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements einer dritten Hologrammstruktur an der die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem sonstigen Spektralbereich als der bestimmte Spektralbereich unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade jeweils auf mindestens einen auf der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements unter diesem, insbesondere unmittelbar unter diesem und im seitlichen Abstand von der ersten seitlichen Fläche des ersten optischen Elements vorhandenen zweiten Zielbereich umgelenkt und die Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 44 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Ausbilden der dritten Hologrammstruktur aus mehreren insbesondere ebenen Hologrammschichten, die so ausgewählt und überlagert werden, dass an denen die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des sonstigen Spektralbereichs als der bestimmte Spektralbereich jeweils unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade jeweils auf einen auf der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements unter diesem, insbesondere unmittelbar unter diesem und im seitlichen Abstand von der ersten seitlichen Fläche des ersten optischen Elements vorhandenen zweiten Zielbereich umgelenkt und die Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich durchgelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 45 gekennzeichnet durch die von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Auswählen oder Herstellen des mindestens einen ersten optischen Elements mit einer ersten an seiner der Sonne zugewandten Seite vorhandenen ersten Zone an der die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite senkrechten Gerade umgelenkt wird, einer an seiner der Sonne abgewandten Seite vorhandenen zweiten Zone an der die an der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements umgelenkte einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich reflektiert wird und einer an seiner der Licht zugewandten Seite vorhandenen dritten Zone an der die an der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements reflektierte Strahlung wieder reflektiert wird, wobei an der ersten, und/oder der zweiten und/oder der dritten Zone die sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen oder von der ersten seitlichen Fläche des ersten optischen Elements weggelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 46 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements einer vierten Hologrammstruktur an der die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umgelenkt und die sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 47 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Ausbilden der vierten Hologrammstruktur aus mehreren insbesondere ebenen Hologrammschichten, die so ausgewählt und überlagert werden, dass an denen die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereichs jeweils unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umgelenkt und die sonstige Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 47 oder 48 soweit diese auf Anspruch 41 oder 42 zurückbezogen sind, gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen auf der Sonne abgewandten Seite der vierten Hologrammstruktur einer transparenten Schicht an deren der Sonne abgewandten Seite die auf ihr auftreffende Sonnenstrahlung in dem gesamten bestimmten Spektralbereich total reflektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 45 gekennzeichnet durch die von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Auswählen oder Herstellen des mindestens einen ersten optischen Elements mit einer ersten an seiner der Sonne abgewandten vorhandenen vierten Zone an der die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite senkrechten Gerade umlenkt wird, einer an seiner der Sonne zugewandten Seite vorhandenen fünften Zone an der die an der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements umgelenkte einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich reflektiert wird und einer an seiner der Licht abgewandten Seite vorhandenen sechsten Zone an der die an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements reflektierte Strahlung wieder reflektiert wird, wobei an der vierten, und/oder fünften und/oder sechsten Zone die sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen oder von der ersten seitlichen Fläche des ersten optischen Elements weglenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 50 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen an der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements einer fünften Hologrammstruktur an der die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umgelenkt und die sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 51 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Ausbilden der fünften Hologrammstruktur aus mehreren insbesondere ebenen Hologrammschichten, die so ausgewählt und überlagert werden, dass an denen die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereichs jeweils unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umgelenkt und die sonstige Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 51 oder 52 soweit diese auf Anspruch 41 oder 42 zurückbezogen sind, gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen auf der Sonne zugewandten Seite der fünften Hologrammstruktur einer transparenten Schicht, an deren der Sonne zugewandten Seite die auf ihr auftreffende Sonnenstrahlung in dem gesamten bestimmten Spektralbereich total reflektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 52 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements eines halbdurchlässigen Spiegels, an dem die an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Element reflektierte oder umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert und auf ihn einfallende Sonnenstrahlung durchgelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 52 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements einer sechsten Hologrammstruktur, an der die die an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Element umgelenkte oder reflektierte Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 55 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Auswählen oder Herstellen der sechsten Hologrammstruktur aus mehreren übereinander überlagerte insbesondere ebenen Hologrammschichten, an denen jeweils die an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Element umgelenkte oder reflektierte Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereich reflektiert und die sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 48, 50 bis 56 soweit diese auf Anspruch 41 oder 42 zurückbezogen sind, gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen eines Spiegels auf der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements, am dem die auf diesem auftreffende Sonnenstrahlung reflektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 48, 50 bis 56 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Anbringen auf der an der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements einer siebten Hologrammstruktur, an der die an der der Sonne zugewandten Seite des optischen Elements umgelenkte oder reflektierte Sonnenstrahlung in mindestens einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereichs reflektiert und die sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 58 gekennzeichnet durch den von dem Schritt i100) umfassenden Schritt: Auswählen oder Herstellen der siebten Hologrammstruktur aus mehreren übereinander überlagerte insbesondere ebenen Hologrammschichten, an denen jeweils die an der der Sonne zugewandten Seite des mindestens einen ersten optischen Element umgelenkte oder reflektierte Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des bestimmten Spektralbereich reflektiert und die sonstige Sonnenstrahlung durchgelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 59, gekennzeichnet durch den nach dem Schritt i200) umfassenden Schritt: 240) Einfügen zwischen der mindestens einer Solarzelle und der ersten seitlichen Fläche des ersten optischen Elements eines zweiten optischen Elements, an dem die auf die erste Seitenfläche des mindestens einen ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich in der Weise umlenkt wird, dass die auf die erste Seitenfläche des mindestens einen ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung gleichmäßig auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 60, gekennzeichnet durch den von dem Schritt i240) umfassenden Schritt: Auswählen oder Herstellen des zweiten optischen Elements mit mindestens einer Hologrammstruktur, an der die die auf die ersten seitlichen Fläche des mindestens einen ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektralbereich in der Weise umgelenkt wird, dass die auf die ersten seitlichen Fläche des mindestens einen ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in einen parallelen, auf die Fläche der mindestens einer Solarzellen senkrechten Strahlenbündel umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 61, gekennzeichnet durch den von dem Schritt i200) umfassenden Schritt: Auswählen oder Herstellen der mindestens einen Solarzelle mit einer Fläche, die der ersten seitlichen Fläche des mindestens einen ersten optischen Elements gleicht.
Verfahren nach Anspruch 60 oder 61, gekennzeichnet durch den vor dem Schritt i300) durchzuführenden Schritte: 180) Auswählen oder Herstellen der mindestens einer Solarzelle mit einer Fläche, die größer ist als die erste seitliche Fläche des ersten optischen Elements, 280) Auswählen oder Herstellen des zweiten optischen Elements mit einem Streulinsencharakter.
Verfahren nach Anspruch 60 oder 61, gekennzeichnet durch den vor dem Schritt i300) durchzuführenden Schritte: 190) Auswählen oder Herstellen der mindestens einer Solarzelle mit einer Fläche, die kleiner ist als die erste seitliche Fläche des ersten optischen Elements, 290) Auswählen oder Herstellen des zweiten optischen Elements mit einem Sammellinsencharakter.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 64, soweit sie auf einen der Ansprüche 43 bis 45 zurückbezogen sind, gekennzeichnet durch den nach dem Schritt 400) durchzuführenden Schritt: i600) Verbinden einer insbesondere ein Rohrleitungssystem aufweisende Wärmeleiterplatte oder eines insbesondere ein Rohrleitungssystem aufweisenden Absorberkörpers für Solarthermiezwecke mit der der Sonne abgewandten Seite des Lichtaustrittskörpers, wobei der Absorberkörper vorzugsweise einen selektiven Absorber aufweist.
Solaranlage mit einer Mehrzahl von Photovoltaik-Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 37.
Solaranlage nach Anspruch 66, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mehreren vereinzelten Photovoltaik-Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 37 zusammengesetzt ist.