DE102007037470A1

DE102007037470A1 - Photovoltaische Solaranlage

Info

Publication number: DE102007037470A1
Application number: DE102007037470A
Authority: DE
Inventors: Hans Willy Runge
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-02-12
Also published as: WO2009019002A2; WO2009019002A3

Abstract

Konzentrierende photovoltaische Solarsysteme müssen das Licht zur Stromerzeugung konzentrieren. Das Konzentrieren des Lichts erfolgt durch Linsen oder Parbolspiegel. Die Energiewandlung erfolgt mit einzelnen Solarzellen oder Solar-Arrays. Die Nachsteuerung zur Sonne muss dabei sehr genau sein. Das neue System gleicht die optischen Nachteile von Parabolspiegeln aus, vereinfacht den Wartungs- und Installationsaufwand der Spiegel, erhöht den Wirkungsgrad des Solar-Arrays und verbessert die Genauigkeit der System-Nachführung. Das System eignet sich besonders zur photovoltaischen Stromerzeugung in Gebieten mit hoher, direkter Lichteinstrahlung.

Description

Stand der Technik:

1. Das Patent kommt aus dem Gebiet der lichtkonzentrierenden photovoltaische Solaranlagen. Photovoltaische Solartechnologien unterscheiden sich vor allem in den eingesetzten Solarzellenmaterialien, die das Licht zu Strom wandeln. Es gibt Silizium basierende Solarzellen, Dünnschichtzellen und Konzentratorzellen. Bei den Konzentratorzellen wird das Licht vor der elektrischen Wandlung konzentriert. Die Konzentration des Lichts wird mit Linsen oder Parabolspiegeln erreicht. Im All werden konzentrierende Solarzellen ohne eine Konzentration genutzt, da das Sonnenlicht eine höhere Energiedichte als auf der Erde besitzt.
2. Bei konzentrierenden Solaranlagen werden entweder einzelne, viereckige Solarzellen oder Konzentrator-Arrays aus viereckigen Solarzellen eingesetzt.
3. Auf der Erde müssen sonnenlichtkonzentrierende Solaranlagen präzise der Sonne nachgeführt werden, da bei einer Abweichung das Konzentrationsfeld des Lichts aus der Fläche des Solararrays oder der Solarzelle weicht. Die Nachführung lässt sich mit einer grossen Toleranz über vorberechnete Sonnenstandsdaten erreichen. Für das Nachführen mit einer kleinen Toleranz kann die gemessene Spannung des Wechselrichters, die Werte des sogenannten Maximum Power Points (MPP), herangezogen werden oder es werden Sonnfinder eingesetzt.

Nachteile und Lösungen:

1. Parabolspiegel haben den Nachteil, dass das Licht zentriert, kreis- oder punktförmig aber nicht eckig, gleichmässig und homogen gebündelt wird. Konzentrierende Solarzellen liefern aber bei einem homogenen Lichtfeld höhere Energieerträge als bei einem nicht-homogenen Lichtfeld, da die erzeugte Leistung der in Serie geschalteten Solarzellen von der am schwächsten beleuchteten Zelle abhängt. Die Energie des konzentrierten Lichts eines Parabolspiegels oder einer Linse wird daher nur zum Teil genutzt. Viereckige Zellen werden in dem kreisförmigen Konzentrationsfeld entweder nur zum Teil beleuchtet, oder (wenn die Reflektion grösser ist als die Zelle) ein Teil des reflektierten Lichtes gelangt nicht auf die Zelle. Lösung: Das Licht wird durch viele eckige und plane Spiegelzellen durch die Überlagerung ihrer Lichtreflektionen konzentriert. In dem Reflektionsfeld, in dem sich alle Spiegelreflektionen treffen, ist das Licht konzentriert, homogen und in der Form bis auf eine gewisse Streuung im wesentlichen eckig – eine für den Einsatz von Arrays eine effizientere Form als runde Licht-Konzentrationsflächen.
2. Arrays aus viereckigen Solarzellen können nicht mit dem technisch kleinsten möglichen Abstand aneinandergelegt werden, sondern benötigen einen grösseren Abstand. Die Oberfläche der einen Zelle muss mit der Unterseite ihrer Nebenzelle elektrisch verbunden werden. Dies geschieht mit einem Draht. Die Stärke des Drahtes wird durch die Stromstärke bestimmt und ist in der Regel grösser als der technisch kleinste mögliche Abstand zwischen zwei Solarzellen auf einem Array. Der Draht verhindert damit das dichtere Packen der Zellen, er blockiert. In den Zwischenräumen zwischen den Zellen wird aber kein Strom erzeugt. Das auftreffende Licht gelangt nur auf das unterliegende Substrat und wird in Wärme gewandelt. Lösung: Eine oder mehrere Ecken der standardmässig viereckigen Solarzelle werden entfernt, so dass der Verbindungsdraht (oder die Drähte) durch das entstandene dreieckige Loch (oder Löcher) nach unten geführt werden kann. Damit können die Zellen dichter nebeneinander gelegt werden. Die Verluste durch die Zwischenräume werden kleiner, der Stromertrag des Arrays ist höher. Die erzeugte Wärme am Array wird kleiner.
3. Die Genauigkeit des Nachsteuerns über die Spitzenspannung, dem Maximum Power Point, hat seine Grenzen, da der gemessene Spannungswert keine direkte Aussage über die Position des Lichtfeldes gibt. Es ist ein Wert, der z. B. durch Wolken verfälscht wird und damit ungenau sein kann. Auch Sonnenfinder liefern besonders bei Bewölkung oft nur ungenaue Ergebnisse. Lösung: Ein Positionieren des Sonnennachführsystems über vorberechnete Sonnenstandsdaten und eine Feinnachführung über ein direktes Messen des Lichts an den vier Kanten des Solarzellarrays mit Nachführen des ganzen Arrayblocks.

Ausführungsbeispiel:
Photovoltaische Solaranlage
Ein Spiegel reflektiert das Sonnenlicht auf das Konzentrator-Solarzellenarray des Sonnenlichtwandlers. Das Array wandelt einen Teil der Lichtenergie in elektrischen Strom.
Der Konzentrationsspiegel besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus vier Teilspiegeln. Jeder Teilspiegel besteht aus 14 mal 14 viereckigen Spiegelzellen. Die Spiegelzellen sind plan und so geformt, das die Reflektionen der Spiegelzellen alle in das gleiche, über dem Spiegel liegende, viereckige Feld gleichgross und mit der gleichen Geometrie, z. B. quadratisch mit einer Kantenlänge von 10 cm, einfallen und sich dort überlagern und konzentrieren.
Der unterschiedliche Einfallswinkel der Spiegelzellen bei gleicher Sammelfläche der Lichtreflektion bedingt eine unterschiedliche Form der Spiegelzellen. Die Zellen liegen innen eher horizontal und sind in der Geometrie eher quatratisch. Sie werden nach aussen hin immer rautenförmiger und aufgestellter. (Siehe Zeichnung Nr. 01, Nr. 02) Die Teilspiegel sind in einem Rahmen zwischen zwei Glasscheiben eingelegt. Das Glas schützt die Spiegel vor Verschmutzung und Korosion. Die Reinigung der flachen Glasscheiben der Spiegelmodule ist einfacher als eine direkte Reinigung der Spiegelzellen. Die vier Teilspiegel werden auf dem Sonnennachführsystem jeweils um 90 Grad gedreht montiert. (Siehe Zeichnung Nr. 03, Nr. 04) Die Spiegel können auch für andere Anwendungen benutzt werden, z. B. um einen Sterling Motor anzutreiben oder Flüssigkeiten zu erhitzen.
Der Sonnenlichtwandler befindet sich in einem festen Abstand in der Mitte über dem Spiegel. Er besteht aus einer Glasscheibe, die die Solarzellen schützt, den Konzentrator-Solarzellen, hitzeableitendem Substrat mit eingelassenen Dioden, auf der Rückseite einem Wärmetauscher, der Luft oder Wassergekühlt sein kann und einer Arrayblock-Nachführung mit Lichtmessern und Nachführungsmechanik.
Die Konzentrator-Solarzellen sind fünfeckig (siehe Zeichnung Nr. 05), damit sie dichter zusammengeschoben werden können (Siehe Zeichnung Nr. 06). Dies erhöht den Wirkungsgrad des Arrays.
Durch die fünfeckige Form der Zellen und durch das damit dichtere und engere Packen der Zellen, kann auch bei anderen Anwendungen von Konzentrator-Solarzellen der Wirkungsgrad der Solarzellen-Arrays erhöht werden, z. B. bei den Solarzellenarrays von Sateliten oder von Solaranlagen, bei denen sich das Solarzellenarray auf einem Turm befindet und eine Vielzahl von einzelnen gesteuerten Spiegeln am Boden vor dem Turm das Licht auf das Solarzellenarray lenken und konzentrieren.
Das Nachführsystem fährt die Solaranlage in eine Position, bei der die einfallenden Sonnenstrahlen senkrecht auf die Spiegel fallen. Die Spiegelzellen reflektieren und konzentrieren das Licht nun homogen in dem gleichen Feld, in dem sich die Solarzellen befinden. Die Feinpositionierung erfolgt dabei durch das Nachsteuern des gesamten Arrayblocks. Die Arrayblock-Nachführung besteht aus vier Lichtsensoren, angebracht an den Aussenkanten des Solararrays, und einer Mechanik, die den Arrayblock zweidimensional – in der Breite von links nach rechts und in der Tiefe von vorn nach hinten – nachsteuert. Stimmen die Lichtreflektionsfläche und die Solarzellenfläche nicht genau überein, positioniert die Arrayblock-Nachführung den Arrayblock, bis die Flächen wieder übereinander liegen.
Ein Teil der Lichtenergie wird nun in elektrischen Strom gewandelt, die restliche Energie wird vorwiegend in Wärme gewandelt über den Wärmetauscher abgeleitet.
Die Vorteile des Systems sind der hohe Wirkungsgrad, eine kostengünstige Herstellung, eine einfache Installation und die Wartungsfreundlichkeit.
Der Spiegel kann einfach und schnell in grossen Mengen aus Kunststoff oder Metall hergestellt werden. Das Solarzellenarray hat wenige Schaltungen und Bauteile, da die Solarzellen verhältnismässig gross sein können. Die Herstellung des Solarzellenarrays ist damit im Vergleich zu einer Methode mit vielen kleineren Solarzellen, durch den geringeren technischen Aufwand, einfacher und kostengünstiger. Durch das dichtere Zusammenlegen der einzelnen Solarzellen erzielt man bei gleicher auf das Solarzellenarray treffender Lichtmenge, einen höheren Wirkungsgrad des Arrays und damit einen höheren Stromertrag.
Die Nachführung des kompletten Sonnenlichtwandlers garantiert ein genaues Halten des Lichtfeldes der Spiegelreflektion auf der Zellenfläche des Solararrays und vermeidet damit Verluste durch Herauslaufen des Reflektionsfeldes.
Die Bauweise der Teilspiegel ist wegen der Teilung der Spiegeloberfläche in viele kleinere Spiegelzellen so flach, dass sie mit einer Glasscheibe bedeckt und geschützt werden können. Damit wird die Reinigung des Spiegels vereinfacht.
Durch das Zusammenfassen von vielen unterschiedlichen Spiegelzellen in wenige Teilspiegel wird die Herstellung von vielen präzise eingemessenen Spiegelzellen in wenigen Herstellungsprozessen möglich. Da die Teilspiegel in einer festen Position nebeneinander auf dem Sonnennachführsystem liegen, wird die Installation des Spiegels wesentlich vereinfacht. Es müssen nur die Winkel weniger Teilspiegel eingerichtet werden, nicht aber hunderte von Winkeln der einzelnen Spiegelzellen.

Claims

Photovoltaische Solaranlage, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1. einem sonnenlichkonzentrierenden Spiegel, 2. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel aus einem oder einer Vielzahl von Teilspiegeln besteht. 3. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilspiegel mehr als eine Spiegelzelle enthält. 4. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelzellen senkrecht auf den Spiegel fallendes Licht in ein gleiches, über dem Spiegel befindlichen Feld reflektieren und durch Überlagerung konzentrieren – sowie einem Sonnenlichtwandler 5. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenlichtwandler ein Array aus Solarzellen enthält 6. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen mehr als vier Ecken haben. Eine oder mehrere Ecken der standardmässig viereckigen Solarzelle sind so abgetrennt, dass eine fünf- bis achteckige Form entsteht. – sowie einer Nachführungsmechanik 7. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführungsmechanik den Sonnenlichtwandler zweidimensional – in der Breite von links nach rechts und in der Tiefe von vorn nach hinten – in den Mittelpunkt des vom Spiegel reflektierten Sonnenlichts nachführt.