DE102008001640A1 - Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht - Google Patents

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Abstract

Um eine zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, vorgesehene Vorrichtung (100; 100'; 100''), aufweisend mindestens einen statisch montierten rinnen- oder wannenförmigen Spiegelkörper (10), mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umlenkbar ist, so weiterzubilden, dass eine signifikante Kostenreduktion durch Einsatz eines Konzentratorsystems ohne bewegliche Teile erzielbar ist, wird vorgeschlagen, dass das photovoltaische Absorbermittel (20) in Bezug auf den Spiegelkörper (10) statisch montiert ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, vorgesehene Vorrichtung, aufweisend mindestens einen statisch montierten rinnen- oder wannenförmigen Spiegelkörper, mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umlenkbar ist. (vgl. Druckschrift DE 202 20 390 U1 aus dem Stand der Technik).
  • Stand der Technik
  • Konventionelle, sich heutzutage im Einsatz befindliche planare Photovoltaiksysteme weisen großflächige Siliziummodule auf und sind in der Herstellung sehr kostspielig, wobei die Produktionskosten zur Zeit zu mehr als fünfzig Prozent durch die Kosten des Siliziums bestimmt sind.
  • Aus diesem Grunde kommen in letzter Zeit vermehrt Photovoltaikkonzentratoren zum Einsatz; hierbei werden als Konzentratoren der Lichtbündelung dienende Vorrichtungen der geometrischen Optik bezeichnet, mittels derer eine Vervielfachung der Strahlungsdichte und mithin eine Minimierung von Absorberverlusten erzielbar ist.
  • Aufgrund des erhöhten Wirkungsgrads der photovoltaischen Systeme kann durch eine verringerte Fläche an Solarzellen der Siliziumkostenanteil reduziert und damit das Verhältnis der Solarzellenkosten zu den Gesamtkosten gesenkt werden.
  • Derartige mit Linsen und/oder mit Spiegeln unterschiedlichster Art aufge baute Konzentratorsysteme reduzieren zwar das Problem der hohen Siliziumkosten um den Konzentrationsfaktor des Konzentrators (Faktor 10 bis zu Faktor 1.000); jedoch sind derartige Konzentratorsysteme mit einem wesentlich höheren mechanischen Aufwand verbunden, denn diese Art der Lichtkonzentration erfordert eine relativ komplexe mechanische Nachführung.
  • Zumindest in Mittel- und Nordeuropa haben sich derartige Konzentratoren aufgrund des dortigen wolkigen Klimas bislang noch nicht durchgesetzt, denn Konzentratoren nutzen hauptsächlich die direkte Strahlung. Obwohl der Anteil der diffusen Strahlung an der Gesamtstrahlung bis zu fünfzig Prozent betragen kann, bleibt die diffuse Strahlung zumindest in nachgeführten Konzentratoren zumeist ungenutzt.
  • Hierbei wird hinsichtlich der Bauform von Photovoltaikkonzentratoren primär zwischen statischen Systemen und nachgeführten Systemen unterschieden. Statische Konzentratoren werden wie übliche Flach- oder Planarkollektoren fest montiert, weisen aber bauartbedingt ein Konzentrationsverhältnis auf, das mit zunehmendem Akzeptanzwinkel der Strahlung abnimmt.
  • Durch den großen Akzeptanzwinkel ist bei statischen Photovoltaiksystemen jedoch eine begrenzte Nutzung des diffusen Lichts möglich. Typischerweise liegt das Konzentrationsverhältnis bei eindimensionalen statischen Konzentratoren im Bereich bis etwa 2. Aus diesem Grunde sind der Platzbedarf und der Herstellungsaufwand bezogen auf den Konzentrationsfaktor relativ hoch.
  • Nachgeführte Photovoltaiksysteme erreichen Konzentrationsfaktoren von über 100, allerdings ist hierfür eine sehr aufwändige Mechanik und Steuerung erforderlich; dies gilt insbesondere für zweiachsig nachgeführte Sys teme, so dass sich die Entwicklung derartiger nachgeführter Photovoltaiksysteme hauptsächlich auf große Anlagen beschränkt.
  • Durch die hohe Windlast ist bei nachgeführten Photovoltaiksystemen eine stabile Abstützung erforderlich, so dass nachgeführte Konzentratoren typischerweise einen hohen Flächenbedarf aufweisen und eine Integration in Gebäuden kaum möglich ist.
  • Obwohl auch diffuses Licht eine gewisse Helligkeit im Konzentrator erzeugt, können des Weiteren hochkonzentrierende nachgeführte Photovoltaiksysteme diese diffuse Strahlung kaum nutzen und eignen sich somit hauptsächlich für sonnige Klimazonen, zum Beispiel in Südeuropa.
  • Prinzipiell können nachgeführte Systeme mit höherem Akzeptanzwinkel konzipiert werden, um diffuses Licht oder Streulicht zu nutzen. Allerdings verringert sich dann das Konzentrationsverhältnis und somit die Ausnutzung der direkten Strahlung. Hierdurch steigt der relative Mehraufwand für die Nachführung und für die Fixierung.
  • Ausgehend davon, dass für kleine bis mittlere Photovoltaiksysteme vor allem in wolkigeren Klimazonen das Problem zugrunde liegt, dass statische Konzentratoren zu niedrige Konzentrationsverhältnisse erreichen, nachgeführte Konzentratoren jedoch einen sehr hohen Aufwand für Nachführung und für Fixierung benötigen, wird in der Druckschrift DE 202 20 390 U1 ein semistatischer Photovoltaik-Konzentrator vorgeschlagen, bei dem das Grundelement ein statischer, fest montierter Spiegel ist, wohingegen der Absorber mit den Solarzellen parallel zur Brennebene verschiebbar ist, wodurch die Fokussierung auf die Absorberfläche erreicht wird.
  • Aus der Druckschrift WO 89/05520 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der bei einem Solarzellenmodul mehrere beidseitig wirksame Solarzellen vorgesehen sind, die über einer Anordnung aus mehreren parallel zueinander verlaufenden rinnenförmigen und im Querschnitt halbkreisförmigen Spiegeln angeordnet sind; diese Spiegel lenken den neben den Solarzellen einfallenden Teil der Solarstrahlung auf die Unterseite der Solarzellen um.
  • In der Druckschrift EP 0 059 464 A1 ist ein Solarkonzentrator mit einem Hohlspiegel offenbart, der die Sonnenstrahlung auf eine zwischen dem Spiegel und der Sonne befindliche Absorberfläche konzentriert. Der Spiegel wird von einem massiven Block durchsichtigen Materials gebildet, dessen Unterseite konvex gebogen und verspiegelt ist. In oder auf der Oberseite des Blocks ist die Absorberfläche angeordnet.
  • Aus der Druckschrift DE 195 08 071 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der bei einer Solarzelle nach dem Prinzip der Thermovoltaik durch die Konzentration der Sonnenstrahlen im Brennpunkt oder in der Brennlinie einer spiegelnden Hohlrinne eine höhere Energieausbeute als bei flacher Anordnung der Zellen erreicht wird.
  • Weitere Konzentratorsysteme aus dem Stand der Technik sind in den Druckschriften US 4 115 149 , US 4 191 164 , US 4 388 481 , US 5 062 899 , US 5 344 496 , WO 83/01292 A1 , WO 96/24014 A1 und WO 2004/109195 A2 offenbart.
  • Den vorstehend diskutierten Konzentratorsystemen ist ihr Effizienzverlust bei Temperaturerhöhung im Betrieb sowie auch die Widerstandserhöhung der Solarzellen bei Teilabschattung gemeinsam. Die Widerstandserhöhungen durch Wärme und/oder durch Teilabschattung ziehen eine Reduktion der Stromerzeugung nach sich, denn die Solarelemente sind in Reihe geschaltet.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die bekannten Konzentratorsysteme mechanisch komplex sind und einen hohen Wartungsaufwand erfordern, wohingegen die heutzutage erhältlichen planaren Systeme infolge des hohen Siliziumaufwands zu teuer sind.
  • Daneben gibt es auch Systeme, die aus Polysilizium-Photovoltaikmodulen und/oder aus Dickschicht-Photovoltaikmodulen aufgebaut sind. Ein derartiger Aufbau ist zwar preiswerter als ein Aufbau aus Silizium-Photovoltaikmodulen, hat jedoch regelmäßig einen geringeren Wirkungsgrad.
  • Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Stands der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine signifikante Kostenreduktion durch Einsatz eines Konzentratorsystems ohne bewegliche Teile erzielbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die vorliegende Erfindung basiert grundsätzlich auf der Ausnutzung der Defokussierung von Lichteinstrahlung; dies bedeutet bei konkaven, insbesondere sphärisch gewölbten oder parabolisch gewölbten, Spiegeln die Anordnung der photovoltaischen Absorber oder Solarzellen unterhalb des Brennpunkts.
  • Bei sphärischen Spiegeln wird dieser Effekt durch die Kaustik in sehr wesentlicher Weise unterstützt. Die Form eines Parabolspiegels wird bei kleinen Öffnungswinkeln gut durch eine sphärische Spiegelform angenähert. Ein Parabolspiegel weist zwar im eigentlichen Sinne keine Kaustik auf, jedoch entsteht ebenfalls eine Brennfläche, wenn das zu beleuchtende Objekt, also die Solarzelle, unterhalb des Brennpunkts angebracht wird.
  • Da das photovoltaische Absorbermittel in Bezug auf den Spiegelkörper erfindungsgemäß statisch montiert ist, ist für die erfindungsgemäße Photovoltaik-Konzentratorvorrichtung kein mechanisch-technologisch aufwändiges Herstellungsverfahren erforderlich; vielmehr ist der mechanische Aufwand zur Herstellung, insbesondere zur mechanischen Aufhängung, der einzelnen Module vergleichbar mit dem oder geringer als der mechanische Aufwand zur Herstellung heutzutage erhältlicher planarer Systeme.
  • Infolge der Nutzung der Kaustik und/oder der Brennfläche mindestens einer auf einfache Weise bereitstellbaren sphärischen oder parabolischen Spiegelfläche weist die vorliegende Erfindung in bevorzugter Weiterbildung weder komplizierte Linsensysteme noch geschliffene Oberflächen auf. Hierdurch wird ein mechanisch stabiler modularer Aufbau ohne bewegliche Teile ermöglicht, so dass eine Wartungsfreiheit des Gesamtsystems gegeben ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird durch eine wannenförmigen Ausgestaltung der sphärischen oder parabolischen Spiegelfläche eine signifikante Reduktion der Abschattung erzielt. Hierbei kann die aktive Seite der Solarzellen mit Vorteil der Spiegelfläche zugewandt sein, also in das Innere des Spiegels gerichtet sein.
  • Demzufolge ist eine direkte Abschattung innerhalb der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Konzentratorvorrichtung nicht möglich, so dass die Effizienz der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gesteigert werden kann.
  • Aufgrund der vorzugsweise planaren Oberfläche des Konzentratorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Spiegel fest auf einem Gebäude, vorzugsweise auf dem Dach eines Gebäudes, montiert werden. Aufgrund der statischen Montage kann das Konzentratorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung sogar einen Teil des Dachs ersetzen, was wiederum einen erheblichen Kostenvorteil darstellt.
  • Da die erzielbare Leistung von Solarzellen mit steigender Temperatur sinkt, ist es zweckmäßig, bei der Konzentratorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für eine ausreichende Kühlung des Absorbers zu sorgen, zum Beispiel mittels mindestens eines im optischen Körper integrierten Wärmeabführungssystems, durch das nicht nur eine wesentliche Steigerung der Effizienz des Photovoltaikprozesses oder -vorgangs erreicht werden kann, sondern auch Wärmeenergie zur anderweitigen Nutzung, beispielsweise zu Erhitzungs- oder Heizzwecken, bereit gestellt werden kann.
  • Hierzu kann mindestens ein Kühlsystem, zum Beispiel mindestens ein in das optische System integrierter Kühlkörper, und/oder mindestens eine aktive Kühlung vorgesehen sein, bei der der Photovoltaikabsorber durch ein vorbei fließendes Kühlmittel gekühlt wird. Wie vorstehend bereits angedeutet, bringt die aktive Kühlung gleichzeitig den Vorteil mit sich, dass die aufgenommene Wärme beispielsweise für Erhitzungs- oder Heizzwecke zusätzlich genutzt werden kann.
  • Insgesamt zeichnet sich die vorliegende Erfindung durch einen Konzentratoreffekt in einem Körper oder Hohlkörper aus optisch transparentem Material auf, wobei es sich um ein mechanisch einfach herstellbares und ohne großen Aufwand montierbares System ohne mechanische Nachführung handelt.
  • Die vorliegende Photovoltaikkonzentratorvorrichtung weist eine Fokussierung auf eine Brennebene bzw. -fläche und/oder unterhalb einer Brennebene bzw. -fläche auf, wobei zumindest im Falle des Einsatzes einer sphärischen Verspiegelung des optischen Körpers zusätzlich die Wirkung der Kaustik zum Tragen kommt.
  • Mittels der vorliegenden Erfindung ist eine Vervielfachung der Strahlungsdichte und mithin eine Minimierung von Verlusten im Photovoltaikabsorber erzielbar, womit eine Kostenreduktion der Photovoltaikmodule gegenüber konventionellen Systemen um mehr als den Faktor 2 einher geht.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Photovoltaikfeld, ein Photovoltaikpanel oder eine Photovoltaikplatte, aufweisend mehrere Vorrichtungen gemäß der vorstehend dargelegten Art, die modulartig zum Feld, zum Panel bzw. zur Platte zusammengesetzt sein können und zweckmäßigerweise eine gemeinsame optisch transparente Abdeckung aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung mindestens einer Vorrichtung gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens eines Photovoltaikfelds, mindestens eines Photovoltaikpanels oder mindestens einer Photovoltaikplatte gemäß der vorstehend dargelegten Art zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand der durch 1A bis 5B veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1A in schematischer Querschnittdarstellung einen Bestandteil eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 1B in schematischer Querschnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2A in schematischer Querschnittdarstellung einen Bestandteil eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2B in schematischer Querschnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2C in schematischer Querschnittdarstellung ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2D in schematischer Querschnittdarstellung ein viertes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3A in schematischer Querschnittdarstellung einen Bestandteil der Vorrichtung aus 1A und 1B;
  • 3B in schematischer Querschnittdarstellung die Vorrichtung aus 3A bei zentralem Lichteinfall;
  • 4A in schematischer Querschnittdarstellung die Vorrichtung aus 3A bei schrägem Lichteinfall auf den in 4A linken Bereich der Vorrichtung;
  • 4B in schematischer Querschnittdarstellung die Vorrichtung aus
  • 4A bei schrägem Lichteinfall auf den in 4B rechten Bereich der Vorrichtung;
  • 5A in schematischer Querschnittdarstellung die Berechnungsgrundlage für die Vorrichtung aus 5B; und
  • 5B in schematischer Querschnittdarstellung ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in 1A bis 5B mit identischen Bezugszeichen versehen.
  • Bester Weg zur Ausführung der vorliegenden Erfindung
  • Zur Vermeidung überflüssiger Wiederholungen beziehen sich die nachfolgenden Erläuterungen hinsichtlich der Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung (soweit nicht anderweitig angegeben) auf sämtliche in 1A bis 5B dargestellten exemplarischen Ausgestaltungen von Vorrichtungen 100, 100', 100'' gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Wie 1A entnehmbar ist, weist der Photovoltaik-Konzentrator 100, 100', 100'' einen sphärischen oder parabolischen Hohlspiegel 10, zum Beispiel aus polierter Aluminiumoberfläche oder aus verspiegeltem Polysterol, wie etwa aus verspiegelten Polysterolplatten, auf, wobei der Hohlraum dieser Verspiegelung 10 mit einem Medium, wie etwa mit einem Gas, zum Beispiel mit Luft, oder mit einer transparenten Flüssigkeit, zum Beispiel mit Wasser, oder mit einem optisch transparenten Material, ausgefüllt sein kann.
  • Die in Bezug auf den Spiegelkörper 10 statisch montierten (handelsüblichen Standard-)Solarzellen 20 befinden sich unterhalb des Brennpunkts des Spiegels 10 in seiner durch die Kaustik hervorgerufenen Brennfläche. In 1B ist eine der möglichen Anordnungen des photovoltaischen Absorbermittels, das heißt der Solarzellen 20 in der Brennebene oder -fläche des Spiegels 10 dargestellt.
  • Grundsätzlich kann das photovoltaische Absorbermittel 20 im Wesentlichen parallel (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß 2B) oder im Wesentlichen senkrecht (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß 2C) zur Brennebene oder Brennfläche des Spiegelkörpers 10 angeordnet sein. Auch eine beliebige,
    • – insbesondere beliebig zur Brennebene oder Brennfläche des Spiegel körpers 10 gewinkelte und/oder
    • – insbesondere beliebig zueinander gewinkelte Anordnung der photovoltaischen Absorbermittel 20 ist möglich (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß 2D).
  • In 1B bildet die gestrichelte Linie die sogenannte Hüllkurve (= Einhüllende oder Enveloppe) der Kaustik, wobei unter der Hüllkurve diejenige Kurve verstanden wird, die jede Kurve der Kurvenschar in einem Punkt berührt. Die Brennfläche ist die Verlängerung der strichpunktierten Linie.
  • Der Darstellung in 2A ist entnehmbar, dass das Konzentratorsystem 100, 100', 100'' eine zum Zwecke der Lichtdurchlässigkeit bzw. der optischen Transparenz zum Beispiel aus (Acryl-)Glas gebildete Abdeckung 40 in Form einer Abdeckplatte aufweist, die mit dem Hohlspiegel 10 verschraubt ist und zum Beispiel einen optischen Brechungsindex n von etwa 1,5 oder höher aufweisen kann.
  • Um diffuses und/oder schräg einfallendes Licht besser auszunutzen, kann die planare Abdeckung 40 (vgl. 2A, 5B) mit mindestens einer dünnen Beschichtung, insbesondere mit mindestens einer dünnen Folie und/oder mit mindestens einer dünnen Schicht unterschiedlichster Herstellungsweise, zur Lichtumlenkung versehen sein. Hierdurch ergibt sich eine äquivalente oder vergleichbare Wirkungsweise wie bei Brechungseffekten an optisch unterschiedlich dichten Medien.
  • Durch diese optionale technische Maßnahme kann der Winkelbereich des schräg einfallenden Lichts vergrößert werden. Die dünnen Folien und/oder dünnen Schichten können
    • – an der Oberseite und/oder an der Unterseite der Abdeckung 40 oder
    • – an der Oberseite eines massiven, optisch transparenten Körpers 50 angeordnet sein.
  • Um die Effizienz der Photovoltaik- oder Solarzellen 20 zu erhöhen, ist ein hohler, mit Gas, zum Beispiel mit Luft, durchströmter oder von Flüssigkeit, zum Beispiel von Wasser, durchflossener Kühlkörper 30 vorgesehen, auf den die eine exemplarische Dimensionierung von fünfzehn Millimetern aufweisenden Solarzellen 20 montiert sind (vgl. 2B).
  • Kommerziell sind Solarzellen als Platten im Format von etwa 150 Millimeter auf etwa 150 Millimeter erhältlich; auch Solarzellen-Riegel mit einer Dimensionierung von etwa 15 Millimeter auf etwa 150 Millimeter sind kommerziell verfügbar und bei der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
  • Dieses mit Gas, zum Beispiel mit Luft, und/oder mit Flüssigkeit, zum Beispiel mit Wasser, betriebene Kühlsystem ist grundsätzlich optional, denn beim in 2B erzielbaren Konzentratorfaktor kann zwar mit einem Kühlgehäuse, jedoch auch ohne Flüssigkeit gearbeitet werden kann.
  • Zwei typische Strahlengänge der reflektierten Strahlung sind in 3B sowie in 4A, 4B gezeigt:
  • 3A veranschaulicht den prinzipiellen Strahlengang bei im Wesentlichen senkrecht einfallendem Sonnenlicht, wohingegen 4A und 4B den prinzipiellen Strahlengang bei einem Einfallwinkel der akzeptierten Sonnenstrahlung von etwa zwanzig Grad zeigen.
  • Wie 3A sowie 4A, 4B entnehmbar, werden die Lichtstrahlen in der Brennfläche des sphärischen oder parabolischen Spiegels 10 konzentriert und treffen auf die in der Brennebene oder unterhalb der Brennebene angeordneten Absorber oder Solarzellen 20, um einen großen Ak zeptanzwinkel und eine gleichmäßige Ausleuchtung der Absorberfläche 20 zu gewährleisten.
  • Diese Anordnung im Photovoltaik-Konzentrator 100, 100', 100'' ermöglicht es, die Solarzellen 20 auch bei nicht senkrecht, sondern schräg einfallendem Licht ohne Nachführung des Konzentrators 100, 100', 100'' auszuleuchten. Der Kaustikeffekt bewirkt des Weiteren auch bei Streulicht und/oder bei diffusem Licht eine Lichtkonzentration in der Brennfläche und mithin ein optimales photovoltaisches Verhalten nicht nur bei direktem oder schrägem Lichteinfall, sondern auch bei diffusem Licht und/oder bei Streulicht. Hierbei ist zu bedenken, dass schräg einfallendes Licht und diffuses Licht den nordeuropäischen Lichtverhältnissen am ehesten entspricht.
  • Da mit der Vorrichtung 100, 100', 100'' gemäß der vorliegenden Erfindung Konzentrationsverhältnisse zwischen etwa dem Faktor 2 und etwa dem Faktor 10 ohne weiteres realisierbar sind (der konkrete Konzentrationsfaktor hängt unter anderem von der Anordnung der Solarzellen 20 in der Brennfläche ab), reduziert sich der Siliziumaufwand bei der vorliegenden Erfindung gegenüber planaren Modulen um diesen Faktor, wodurch eine erhebliche Kostenreduktion bewirkt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2B ist ein Verhältnis von etwa 1:3 wiedergegeben.
  • In 5B ist der Querschnitt eines Photovoltaik-Konzentratormoduls 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese modulförmige Vorrichtung 100 weist einen konkaven rinnen- oder wannenförmigen, im Querschnitt sphärisch oder parabelförmig gewölbten Spiegel 10 sowie eine Deckplatte 40 auf, an deren dem Spiegel 10 zugewandter Unterseite mittig der im Querschnitt rechteckförmige Kühlkörper 30 befestigt ist, in dessen unterem Bereich wiederum die Solarzellen 20 riegelförmig seitlich angeordnet sind.
  • Das zum Beispiel unterhalb des Brennpunkts angeordnete Kühlelement 30 kann aus Aluminium gebildet sein und eine exemplarische Dimensionierung von fünfzehn Millimetern auf zwanzig Millimeter auf zwei Millimeter aufweisen.
  • Eine derartige, anhand 5B veranschaulichte Anordnung 100 ist mechanisch einfach und kostengünstig realisierbar, benötigt keine Nachführung und hat eine geschlossene, ebene Oberfläche in Form der Abdeckplatte 40, so wie dies auch bei konventionellen planaren Systemen nicht unüblich ist.
  • Da aufgrund der Wirkung des Spiegels 10 und der damit einher gehenden Kaustik der gesamte Konzentratorkörper 50 in seinem Inneren erhellt ist, ist das anhand 1A bis 5B veranschaulichte System auch im Wesentlichen unabhängig vom Problem der Teilabschattung, die die Funktionsweise konventioneller planarer Systeme negativ beeinflusst.
  • Ein Konzentratorfeld oder -panel gemäß der vorliegenden Erfindung kann in seinem Aufbau eine Vielzahl der in 5B dargestellten modulartigen Photovoltaikvorrichtungen 100 unter einer geschlossenen Oberfläche aufweisen.
  • Der modulare Aufbau der vorliegenden Erfindung ermöglicht es nicht nur, den Trägerkörper direkt in einem Trägerrahmen zu montieren, sondern erlaubt auch den Einsatz von Solarzellen aus anderen Materialen als Silizium. Dies unterscheidet den vorliegenden Photovoltaik-Konzentrator sehr wesentlich von konventionellen Konzentratoraufbauten und ist auch Voraussetzung für eine ”Servicefreundlichkeit” des Systems.
  • Ein aufgebautes Photovoltaikfeld oder Photovoltaikpanel hat eine exem plarische Fläche von etwa einem Quadratmeter und kann zum Beispiel zwanzig Einzelmodule aufweisen, von denen jedes eine exemplarische Dimensionierung von etwa einhundert Millimetern auf etwa fünfhundert Millimeter aufweist. Eine äquivalente Anordnung kann auch mit Parabolspiegeln aufgebaut werden.
  • Aufgrund seiner planaren Oberfläche kann ein derartiges Photovoltaikfeld oder -panel fest auf einem Gebäude montiert werden, zum Beispiel in das Dach eines Gebäudes integriert werden.
    • 100
    Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht (= Ausführungsbeispiel gemäß 1B, 2B, 5B)
    100'
    Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht (= Ausführungsbeispiel gemäß 2C)
    100''
    Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht (= Ausführungsbeispiel gemäß 2D)
    10
    Hohlspiegel oder Spiegel, insbesondere Spiegelkörper oder Verspiegelung
    20
    photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere Photovoltaikelement oder Solarzelle, zum Beispiel Solarzellenplatte oder Solarzellenriegel
    30
    Kühleinrichtung oder Kühlmittel
    40
    Abdeckung, insbesondere Abdeckplatte oder Deckplatte
    50
    Hohlkörper oder Körper
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (12)

  1. Zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, vorgesehene Vorrichtung (100; 100'; 100''), aufweisend mindestens einen statisch montierten rinnen- oder wannenförmigen Spiegelkörper (10), mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umlenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Absorbermittel (20) in Bezug auf den Spiegelkörper (10) statisch montiert ist.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet – durch mindestens einen massiven, optisch transparenten Körper (50) oder – durch mindestens einen mit Gas, zum Beispiel mit Luft, oder mit Flüssigkeit, zum Beispiel mit Wasser, gefüllten Hohlkörper.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkörper (10) – im Querschnitt zumindest annähernd sphärisch oder parabolisch ist und/oder – im Körper oder im Hohlkörper (50) integriert ist.
  4. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Absorbermittel (20) in oder unterhalb der, insbesondere durch die Kaustik bewirkten, Brennebene oder Brennfläche des Spiegelkörpers (10) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, ge kennzeichnet durch mindestens eine, insbesondere im Körper oder im Hohlkörper (50) integrierte, Kühleinrichtung (30), zum Beispiel aus Aluminium.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Absorbermittel (20) an der Kühleinrichtung (30), insbesondere – im Wesentlichen parallel oder – im Wesentlichen senkrecht oder – unter mindestens einem beliebigen Winkel zur Brennebene oder Brennfläche des Spiegelkörpers (10), angeordnet ist.
  7. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens eine den Spiegelkörper (10) einschließlich des photovoltaischen Absorbermittels (20) abdeckende, optisch transparente Abdeckung (40), insbesondere Abdeckplatte, zum Beispiel aus Acryl oder aus Glas.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (40) mit mindestens einer lichtumlenkenden Beschichtung, insbesondere mit mindestens einer lichtumlenkenden Folie und/oder mit mindestens einer lichtumlenkenden Schicht, versehen ist.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtumlenkende Beschichtung – an der dem photovoltaischen Absorbermittel (20) zugewandten Seite der Abdeckung (40) und/oder an der vom photovoltaischen Absorbermittel (20) abgewandten Seite der Abdeckung (40) oder – an der Oberseite des massiven, optisch transparenten Körpers (50) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6 und gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (30) an der dem Spiegelkörper (10) zugewandten Unterseite der Abdeckung (40) angeordnet ist.
  11. Photovoltaikfeld oder Photovoltaikpanel, aufweisend mehrere Vorrichtungen (100; 100'; 100'') gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10.
  12. Verwendung mindestens einer Vorrichtung (100; 100'; 100'') gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder mindestens eines Photovoltaikfelds oder Photovoltaikpanels gemäß Anspruch 11 zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel.
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