DE102008020815A1 - Photovoltaic solar module - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Solarmodul, umfassend mindestens eine Solarzelle mit einem optischen Strahlungskonzentrator, wobei das Modul mit einer Antriebseinheit zum gesteuerten, sonnenstandsabhängigen Nachführen in Verbindung steht. Erfindungsgemäß weist die Solarzelle des Moduls bei Standardabmessungen industriell gefertigter Siliziumzellen eine erhöhte Ausgangsspannung auf, wobei der Strahlungskonverter so ausgelegt ist, dass bei einer Anordnung von Solarzelle und Strahlungskonverter an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Moduls der erhaltene Leuchtfleck eine konzentrierte Beleuchtung bis hin zum Solarzellenrand ermöglicht.The invention relates to a photovoltaic solar module, comprising at least one solar cell with an optical radiation concentrator, wherein the module is in communication with a drive unit for controlled, sunlight-dependent tracking. According to the invention, the solar cell of the module has an increased output voltage in the case of standard dimensions of industrially manufactured silicon cells, the radiation converter being designed in such a way that, with an arrangement of solar cell and radiation converter on essentially opposite sides of the module, the light spot obtained enables concentrated illumination up to the solar cell edge.

Description

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Solarmodul, umfassend mindestens eine Solarzelle mit einem optischen Strahlungskonzentrator, wobei das Modul mit einer Antriebseinheit zum gesteuerten, sonnenstandsabhängigen Nachführen in Verbindung steht, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a photovoltaic solar module comprising at least a solar cell with an optical radiation concentrator, wherein the module with a drive unit for controlled, sunlight-dependent Tracking is related, according to the preamble of claim 1

Aus der DE 198 04 469 A1 ist ein photovoltaisches Solarmodul vorbekannt, welches direkt nebeneinander angeordnete Zellen aufweist, die mittels einer durchsichtigen Scheibe gegen Umwelteinflüsse geschützt sind. Das dort beschriebene Solarmodul besteht aus einer Anordnung von einzelnen quadratischen Zellen mit zugeordneten Spiegeln. Die integrierte Spiegel-Zellenstruktur erfordert eine Sonneneinstrahlung senkrecht zur Moduloberfläche. Aus diesem Grund ist eine mechanische Sonnennachführung vorhanden.From the DE 198 04 469 A1 is a photovoltaic solar module previously known, which has directly juxtaposed cells, which are protected by a transparent disc against environmental influences. The solar module described therein consists of an arrangement of individual square cells with associated mirrors. The integrated mirror cell structure requires solar radiation perpendicular to the module surface. For this reason, a mechanical sun tracking is available.

Bei der Konzentrator-Photovoltaik-Vorrichtung mit Positionierungshilfe nach DE 10 2006 002 465 A1 geht es ebenfalls um die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, das mit wenigstens einer aus einem lichtdurchlässigen Material gebildeten Lichteintrittsplatte versehen ist. Weiterhin ist eine Vielzahl von Solarzellen vorhanden, die jeweils im Abstand von der wenigstens einen Lichteintrittsplatte auf deren sonnenabgewandter Seite im Inneren des Gehäuses befindlich sind. Die Lichteintrittsplatte ist mit einer optischen Einheit zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche eintretenden Sonnenstrahlung auf die kleineren Flächen der Solarzellen versehen, wobei das Gehäuse zum Bilden der Seitenwände als Spritzgussteil ausgeführt ist.In the concentrator photovoltaic device with positioning aid to DE 10 2006 002 465 A1 It is also about the direct conversion of solar energy into electrical energy. The device comprises a housing which is provided with at least one light entry plate formed of a light-transmissive material. Furthermore, a plurality of solar cells is present, which are each located at a distance from the at least one light entry plate on the side facing away from the sun inside the housing. The light entry plate is provided with an optical unit for concentrating or bundling the solar radiation entering through the light entrance surface onto the smaller areas of the solar cells, wherein the housing for forming the side walls is made as an injection molded part.

Bei dem thermischen Solarkollektor nach DE 202 10 881 U1 ist innerhalb einer transparenten, sphärischen Hülle ein rohrförmiger, vom Wärmeträger durchströmter Kanal vorhanden, wobei zur Verstärkung und Konzentration der Sonnenstrahlung ein Hohlspiegel eingesetzt ist. Der rohrförmige, Wärme aufnehmende, vom Wärmeträger durchströmte Kanal ist annähernd zu einer kompakten Kugel geformt und befindet sich im Zentrum der transparenten, sphärischen Hülle.At the thermal solar collector after DE 202 10 881 U1 is within a transparent, spherical shell, a tubular, flowed through by the heat transfer channel exists, wherein a concave mirror is used to amplify and concentrate the solar radiation. The tubular heat-receiving channel through which the heat transfer medium flows is approximately formed into a compact sphere and is located in the center of the transparent, spherical envelope.

Der Solarkollektor zur Konzentration des Sonnenlichts auf eine Solarzelle nach DE 10 2006 000 682 A1 verwendet Halbleiterphotoelemente mit p- und n-leitenden Zonen unter Ausnutzung des inneren Photoeffekts. Der dortige Solarkollektor weist mindestens einen Trägerkörper aus lichtleitendem Polymethacrylat-Kunststoffmaterial mit einer transparenten, dem Sonnenlicht zugewandten Oberseite und mit insbesondere seitlich angelegten Schnittkanten der Wandung des Trägerkörpers oder derartigen Schnittkantenabschnitten und dort angeordneten Solarzellen auf. Die Schnittkanten sind für das in den Trägerkörper eingefallene und dort umgeleitete Sonnenlicht transparent. Der Trägerkörper selbst ist als mantelförmige, sphärische Hülle ausgebildet, wobei zur Bildung von Schnittkantenabschnitten zur Anordnung der Solarzellen in der mantelförmigen Hülle mindestens eine Auslassung zur Bildung der die Solarzellen tragenden Schnittkantenfläche angeordnet ist. Die dort verbleibende Schnittfläche ist mit einem Reflexionsüberzug versehen. Weiterhin ist auf der Außenseite des Überzugs über den mantelförmigen Trägerkörper ein weiterer Überzug aufgetragen, welcher den Infrarotanteil des einfallenden Sonnenlichts reflektiert und für den sichtbaren Anteil des einfallenden Sonnenlichts durchlässig ist, so dass der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung einer Verbesserung bezogen auf den bis dahin bekannten Stand der Technik unterliegt.The solar collector for the concentration of sunlight on a solar cell after DE 10 2006 000 682 A1 uses semiconductor photoelements with p- and n-type regions using the internal photoeffect. The local solar collector has at least one carrier body of light-conducting polymethacrylate plastic material with a transparent, facing the sunlight top and with particular laterally applied cut edges of the wall of the carrier body or such cut edge sections and arranged there solar cells. The cut edges are transparent to the sunlight sunk into the substrate and redirected there. The support body itself is designed as a shell-shaped, spherical shell, wherein at least one omission for forming the cut edges of the solar cells is arranged in order to form cut edge sections for arranging the solar cells in the shell-shaped shell. The remaining cut surface is provided with a reflection coating. Furthermore, on the outside of the coating on the shell-shaped carrier body, a further coating is applied, which reflects the infrared portion of the incident sunlight and is transparent to the visible portion of the incident sunlight, so that the efficiency of the overall arrangement of an improvement based on the hitherto known state of the Technology subject.

Aufgrund der Siliziumknappheit und des hohen Anteils der Kosten für die Halbleiter an den Gesamtkosten eines standardmäßigen Photovoltaikmoduls ist die Konzentration von Sonnenlicht auf eine kleinere Fläche des relativ teuren Halbleitermaterials eine wichtige Methode, um die Investitionskosten für Photovoltaiksysteme und in der Folge auch die Stromgestehungskosten aus Sonnenenergie weiter zu reduzieren.by virtue of the silicon shortage and the high proportion of costs for the semiconductors at the total cost of a standard Photovoltaic module is the concentration of sunlight on one smaller area of the relatively expensive semiconductor material an important method to reduce the investment costs for photovoltaic systems and subsequently the electricity production costs from solar energy continue to reduce.

Bisherige Bemühungen in dieser Richtung sind auf extreme Konzentrationsfaktoren von 500 und mehr gerichtet auch und besonders, um die hohen Kosten für die hier üblicherweise eingesetzten III-V Multijunction-Solarzellen auf der Basis von Verbindungshalbleitern zu kompensieren.Previous Efforts in this direction are on extreme concentration factors from 500 and more also and especially to the high cost for the III-V commonly used here Multijunction solar cells based on compound semiconductors to compensate.

Die Chipgrößen derartiger Konzentratormodule liegen im Bereich von wenigen Quadratmillimetern. Um die entstehende Wärme aus diesen Chips abzuführen, sind aufwendige Wärmespreizungs- und Kühlungstechniken anzuwenden. Darüber hinaus müssen derartige Konzentratormodule durch höchst präzise zweiachsige mechanische Nachführungssysteme bewegt werden, weil der Fokusfleck der eingesetzten Konzentratorlinsen in etwa nur so groß wie die Solarzellenchips ist. Auch geringste Abweichungen vom optimalen Sonnenstand lassen daher den Lichtfleck vom Solarzellenchip herunterwandern.The Chip sizes of such concentrator modules are in the range of a few square millimeters. To the resulting heat remove from these chips are consuming heat spreading and apply cooling techniques. Furthermore Such concentrator modules must by highest precise biaxial mechanical tracking systems be moved, because the focal spot of the concentrator lenses used just about as big as the solar cell chips. Also The slightest deviations from the optimal position of the sun can therefore be avoided Walk down the light spot from the solar cell chip.

Zweiachsige Nachführungseinrichtungen, sogenannte Mover, werden außer für die oben beschriebenen Konzentratorsolarmodule auch mit Standardmodulen in Anordnungen von vielen Quadratmetern verwendet. Die Nachführung durch einen entsprechenden motorischen Antrieb gestattet jedoch nur eine mehr oder weniger kontinuierliche Bestrahlung mit Sonnenlicht unter einem Einfallswinkel von im Wesentlichen 90°. Die Präzisionsanforderungen bezogen auf eine solche Nachführung sind allerdings wesentlich geringer, da kleinere Winkelabweichungen vom exakten Sonnenstand zu keiner nennenswerten Leistungseinbuße der Solarzellenmodule führen, dafür sind jedoch die bewegten Massen sehr groß, so dass stabile Fundamente und entsprechend aufwendige Tragkonstruktionen erforderlich sind.Biaxial tracking devices, so-called movers, will also use standard modules in many square meter arrangements except for the concentrator solar modules described above det. The tracking by a corresponding motor drive, however, allows only a more or less continuous irradiation with sunlight at an angle of incidence of substantially 90 °. However, the precision requirements related to such tracking are much lower, since smaller angular deviations from the exact position of the sun lead to no significant loss of performance of the solar cell modules, but the moving masses are very large, so that stable foundations and correspondingly expensive supporting structures are required.

Ein weiterer Nachteil ist die sehr große Fläche der Modulpaletten mit der sich hieraus ergebenden extremen Windlast.One Another disadvantage is the very large area of Modular pallets with the resulting extreme wind load.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes photovoltaisches Solarmodul, umfassend mindestens eine Solarzelle mit einem optischen Strahlungskonzentrator anzugeben, wobei das Modul mit einer Antriebseinheit zum gesteuerten, sonnenstandsabhängigen Nachführen in Verbindung steht. Bei dem zu schaffenden Solarmodul sollen die Gestehungskosten bei erhöhtem Wirkungsgrad reduziert werden, so dass sich neue Anwendungsgebiete erschließen.Out The above, it is therefore an object of the invention, an evolved Photovoltaic solar module comprising at least one solar cell specify with an optical radiation concentrator, wherein the Module with a drive unit for controlled, sunlight-dependent Tracking communicates. In the to be created Solar module should the production costs with increased efficiency be reduced so that open up new applications.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein Solarmodul gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The Solution of the object of the invention is achieved by a solar module according to the combination of features according to claim 1, wherein the dependent claims at least expedient Represent refinements and developments.

Demnach besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, dass die für das weiterentwickelte Solarmodul eingesetzte Solarzelle Standardabmessungen industriell und damit kostengünstig gefertigter Siliziumzellen mit erhöhter Ausgangsspannung aufweist, wobei der Strahlungskonzentrator insbesondere in Form einer Linse so ausgelegt ist, dass bei einer Anordnung von Solarzelle und Strahlungskonzentrator an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Moduls bzw. Modulgehäuses der erhaltene Lichtfleck eine konzentrierte Beleuchtung bis zum Solarzellenrand ermöglicht.Therefore The basic idea of the invention is that the for the advanced solar module used solar cell standard dimensions industrially and thus inexpensively manufactured silicon cells with having increased output voltage, wherein the radiation concentrator is designed in particular in the form of a lens that at a Arrangement of solar cell and radiation concentrator at substantially opposite Pages of the module or module housing the resulting light spot a concentrated lighting allows up to the solar cell edge.

Die eingesetzten Silizium-Solarzellen sollen einen Durchmesser bzw. eine quasi diagonale Ausdehnung im Bereich zwischen 100 mm und 300 mm aufweisen, und zwar in Abhängigkeit von Standardwafern, wie sie üblicherweise bei monokristallinen Zellen Verwendung finden.The used silicon solar cells should have a diameter or a quasi-diagonal extent in the range between 100 mm and 300 mm, depending on standard wafers, such as they are commonly used in monocrystalline cells Find.

Bei dem photovoltaischen Solarmodul wird das eingefangene Sonnenlicht bevorzugt mit einer Fresnel-Linse so auf eine Solarzelle mit Standardabmessungen fokussiert, dass diese vollflächig mit mehr als einer Sonne beschienen wird. Typische Größenordnungen sind hier eine 5- bis 10-fache Sonnenkonzentration, so dass nicht die thermischen Probleme auftreten, wie sie bei Konzentratormodulen mit hoch effizienten III-V-Verbindungs-Halbleiterdioden gegeben sind.at the photovoltaic solar module becomes the captured sunlight preferably with a Fresnel lens so on a solar cell with standard dimensions focussed that this is completely covered with more than one sun is illuminated. Typical orders of magnitude are here a 5 to 10 times the solar concentration, so not the Thermal problems occur, as with concentrator modules given with highly efficient III-V compound semiconductor diodes are.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Konzentrator und Solarzelle auf einer gemeinsamen Achse, einander gegenüberliegend und konzentrisch angeordnet.at A preferred embodiment of the invention are concentrators and solar cell on a common axis, opposite each other and arranged concentrically.

Der Konzentrator ist, wie bereits dargelegt, als plankonvexe Linse, planare Fresnel-Linse oder als sphärische Fresnel-Linse ausbildbar.Of the Concentrator is, as already explained, as plano-convex lens, planar Fresnel lens or as a spherical Fresnel lens formable.

Die Brennweite der Linse ist bevorzugt so gewählt, dass bei vorgegebenem Abstand zwischen Linse und Solarzelle der Durchmesser des Linsenflecks an dieser Abstandsposition gleich oder unwesentlich größer als der Zellendurchmesser ist.The Focal length of the lens is preferably chosen so that at predetermined distance between lens and solar cell diameter the lens spot at this distance position equal or insignificant greater than the cell diameter.

Die Solarzelle des erfindungsgemäßen Solarmoduls ist rückseitig mit einer Kühlplatte verbunden, die gleichzeitig zur Stabilisierung der Zelle dient.The Solar cell of the solar module according to the invention connected at the back with a cooling plate, at the same time serves to stabilize the cell.

Die Flächenabmessungen der Kühlplatte entsprechen im Wesentlichen derjenigen der eingesetzten Linse.The Area dimensions of the cooling plate correspond essentially that of the lens used.

Bei einer kreisrunden Linse entspricht der Linsendurchmesser im Wesentlichen dem Durchmesser des ebenfalls kreisförmigen Kühlplattenteils.at a circular lens substantially corresponds to the lens diameter the diameter of the likewise circular cooling plate part.

Das Modulgehäuse kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Form einer Kugel aufweisen, wobei innerhalb der Kugel die Solarzelle und der Strahlungskonverter angeordnet sind.The Module housing can in a particularly preferred embodiment the invention have the shape of a sphere, wherein within the Ball the solar cell and the radiation converter are arranged.

Das Modulgehäuse kann aber auch ausgestaltend die Form eines Hohlzylinders besitzen, wobei innerhalb des Hohlzylinders die Solarzelle und der Strahlungskonzentrator angeordnet werden.But the module housing can also ausgestaltend have the shape of a hollow cylinder, wherein in be arranged within the hollow cylinder, the solar cell and the radiation concentrator.

Bei einer sphärischen Fresnel-Linse als Strahlungskonzentrator kann die Linse bevorzugt in den Kugelmantel eingebettet werden und damit quasi Bestandteil der Kugel selbst sein.at a spherical Fresnel lens as a radiation concentrator the lens can be preferably embedded in the ball jacket and so that virtually be part of the ball itself.

Die Solarzelle mit Kühlplatte ist bevorzugt entlang eines eine Kugelkappe abtrennenden Abschnitts in den Kugelmantel eingesetzt und schließt die hierdurch entstandene Öffnung ab.The Solar cell with cooling plate is preferably along a Ball cap separating section inserted into the ball jacket and closes the resulting opening from.

Auch besteht die Möglichkeit, bei Anwendung einer planaren Linse diese entlang eines eine Kugelkappe abtrennenden Abschnitts in den Kugelmantel an einer Stelle einzusetzen, die der Position der Solarzelle parallel gegenüberliegend ist.Also there is the possibility of using a planar lens this along a part separating a spherical cap in the Insert ball jacket in one place, parallel to the position of the solar cell is opposite.

Der Abstand zwischen Strahlungskonzentrator und Solarzelle ist in etwa gleich dem Durchmesser des Konzentrators.Of the Distance between radiation concentrator and solar cell is about equal to the diameter of the concentrator.

Der Kugeldurchmesser wiederum ist mindestens um den Faktor √2 größer als der Durchmesser des Strahlungskonzentrators gewählt.The ball diameter in turn is at least a factor of √ 2 chosen larger than the diameter of the radiation concentrator.

Der Abstand zwischen Strahlungskonzentrator und Solarzelle innerhalb des Hohlzylinders ist gleich oder kleiner als der Durchmesser des in diesem Falle eingesetzten Strahlungskonzentrators.Of the Distance between radiation concentrator and solar cell inside of the hollow cylinder is equal to or smaller than the diameter of the used in this case radiation concentrator.

Der Strahlungskonzentrator kann bei einem Modulgehäuse in Form eines Hohlzylinders die Bodenfläche und die Solarzelle die Deckfläche des Hohlzylinders bilden, wobei die Längsachse des Hohlzylinders zur Strahlungsquelle gerichtet nachgeführt wird.Of the Radiation concentrator can be in a module housing in shape a hollow cylinder, the bottom surface and the solar cell form the top surface of the hollow cylinder, wherein the longitudinal axis the hollow cylinder directed to the radiation source tracked becomes.

Das Modulgehäuse besteht zur Vereinfachung der Fertigungstechnologie und im Interesse einer unkomplizierten Handhabung z. B. aus zwei Halbkugeln oder zwei halbschalenförmigen Körpern und kann entsprechend zusammengesetzt werden.The Module housing is to simplify the manufacturing technology and in the interest of uncomplicated handling z. B. from two Hemispheres or two half-shell-shaped bodies and can be assembled accordingly.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann eine Vielzahl von Einzelmodulen auf oder in einem gemeinsamen flächigen Träger angeordnet werden, wobei der Träger dann über eine einzige Nachführungs-Antriebseinheit verfügt.at An embodiment of the invention can be a plurality of individual modules on or in a common flat carrier are arranged, the carrier then over a single tracking drive unit has.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to embodiments and explained in more detail with the aid of figures become.

Hierbei zeigen:in this connection demonstrate:

1 eine prinzipielle Darstellung einer großflächigen Silizium-Solarzelle, in deren Strahlungseinfallrichtung eine plankonvexe Linse vorgeordnet ist; 1 a schematic representation of a large-area silicon solar cell, in the radiation incident direction of a plano-convex lens is arranged upstream;

2 eine Prinzipdarstellung des Strahlungsverlaufs einer Mehrsonnenbestrahlung einer großflächigen Silizium-Solarzelle, wobei als Strahlungskonzentrator eine Fresnel-Linse eingesetzt wird; 2 a schematic representation of the radiation profile of a Mehrsonnenbestrahlung a large-area silicon solar cell, wherein a Fresnel lens is used as a radiation concentrator;

3 eine Ausführungsform des Solarmodulgehäuses als Kugel mit eingesetzter planarer Fresnel-Linse und eingesetzter Solarzelle, die eine Kühlplatte aufweist; 3 an embodiment of the solar module housing as a ball with inserted planar Fresnel lens and inserted solar cell having a cooling plate;

4 eine Ausführungsform des Solarmoduls mit ebenfalls kugelförmigem Gehäuse, wobei ein Teil der Kugelhülle durch die als Strahlungskonzentrator verwendete sphärische Fresnel-Linse ersetzt ist; 4 an embodiment of the solar module with likewise spherical housing, wherein a part of the spherical shell is replaced by the spherical Fresnel lens used as a radiation concentrator;

5 eine weitere Ausführungsform des Modulgehäuses, ausgebildet als Hohlzylinder mit planarer Fresnel-Linse und Silizium-Solarzelle; 5 a further embodiment of the module housing, designed as a hollow cylinder with planar Fresnel lens and silicon solar cell;

6a, b beispielhafte prinzipielle Strukturen einer Solarzelle mit erhöhter Ausgangsspannung in quadratischer bzw. quasiquadratischer sowie in kreis- oder kreisähnlicher Form; 6a , b exemplary basic structures of a solar cell with increased output voltage in square or quasi-quadratic as well as in circular or circular shape;

7A eine beispielhafte Ausgestaltung einer dachintegrierten Anlage mit kugelförmigem Modulgehäuse; 7A an exemplary embodiment of a roof-integrated system with spherical module housing;

7B eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 7A mit symbolisierter Sonnenstandsverfolgung; 7B a representation similar to that after 7A with symbolized sun tracking;

7C eine Draufsicht auf eine prinzipielle Ausführungsform einer dachintegrierten Anlage aus vielen kugelförmigen Modulen mit Fresnel-Linsen und Silizium-Solarzellen; 7C a plan view of a basic embodiment of a roof integrated system of many spherical modules with Fresnel lenses and silicon solar cells;

8A eine beispielhafte Ausgestaltung einer Freilandanlage in Terrassenform mit erfindungsgemäßen Hohlkugel-Modulgehäusen; 8A an exemplary embodiment of an outdoor system in terrace form with hollow ball module housings according to the invention;

8B eine beispielhafte Ausgestaltung einer Freilandanlage in Terrassenform, z. B. an Berghängen, mit erfindungsgemäßen Hohlzylindermodulen; 8B an exemplary embodiment of an outdoor installation in terrace form, z. B. on mountainsides, with hollow cylinder modules according to the invention;

9 eine beispielhafte Darstellung für einen maximalen Morgenwinkel α bei einem Abstand d, wobei mit größerem d auch α größer sein kann und Entsprechendes für den Abendwinkel β = α gilt, und 9 an exemplary representation of a maximum morning angle α at a distance d, wherein with larger d and α may be greater and the same applies to the evening angle β = α, and

10 eine Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Vielzahl von Einzelmodulen auf oder in einem gemeinsamen flächigen Träger angeordnet ist. 10 a representation of an embodiment of the invention, wherein a plurality of individual modules is arranged on or in a common planar support.

Gemäß Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass eine Standard-Solarzelle bei Bestrahlung mit mehreren, also n = 2, 3 ... 10 Sonnen, eine n-fache elektrische Leistung produzieren kann.According to embodiment It is assumed that a standard solar cell when irradiated with several, so n = 2, 3 ... 10 suns, an n-fold electric Can produce power.

Wenn pro Watt installierter Leistung nur der Bruchteil 1/n an Siliziummaterial benötigt wird, können die Systemkosten und die Energiegestehungskosten reduziert werden.If per watt of installed power only the fraction 1 / n of silicon material is needed, the system costs and the Energy production costs are reduced.

Kombiniert mit einer Sonnenstandsverfolgung kann zudem pro installierter Leistung bis zu 30% mehr Energie erzeugt werden.combined Sun tracking can also be per installed power Up to 30% more energy is generated.

Bei der Lösung gemäß Ausführungsbeispiel befindet sich die Solarzelle 2 im Fokusbereich einer Linse, die die Brennweite f = x + y entweder einer bikonvexen oder plankonvexen Linse 1 (1) oder einer Fresnel-Linse 4 (2) in einem Abstand y vor dem Brennpunkt hat.In the solution according to the embodiment, the solar cell is located 2 in the focal region of a lens that has the focal length f = x + y of either a biconvex or plano-convex lens 1 ( 1 ) or a Fresnel lens 4 ( 2 ) at a distance y before the focal point.

Da der Beleuchtungsfleck kreisförmig ist, ist es vorteilhaft, auch die Solarzelle kreisrund auszuführen. Das heißt, eine ansonsten anfallende Quadrierung der Ingots vor der Waferherstellung kann entfallen. Damit wird einerseits ein teurer Arbeitsgang eingespart und zusätzlich wird pro Fresnel-Linse eine um 4/π höhere Leistung produziert als bei quasi quadratischen Zellen.There the illumination spot is circular, it is advantageous also to carry out the solar cell circular. This means, an otherwise occurring squaring of the ingots before wafer production can be omitted. This saves on the one hand an expensive operation and in addition, a 4 / π higher power per Fresnel lens produced as in quasi-square cells.

Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Beleuchtungsstärke von n Sonnen angestrebt wird, ist der Durchmesser der Linse DFresnel zunächst grob um √n größer ausgelegt als der Durchmesser der Solarzelle DZelle = 2b. Zweckmäßigerweise wird dann dieser Streckungsfaktor auf den um 10% größer ausgelegten Leuchtfleck 3 auf der Solarzellenoberfläche, d. h. auf den Durchmesser 2a ungefähr gleich 2, 2b anstatt auf exakt 2b angewendet. Damit ergibt sich DFresnel = 2a√n = 2, 2b√n , um die konzentrierte Beleuchtung bis zum Rand der Solarzelle auch bei einer geringen Schrägeinstellung, d. h. bei geringer Ungenauigkeit der Sonnenstandsverfolgung sicherzustellen.In an embodiment in which an illuminance of n suns is desired, the diameter of the lens D Fresnel is initially roughly around √ n larger than the diameter of the solar cell D cell = 2 B , Conveniently, then this stretching factor on the light spot designed by 10% larger 3 on the solar cell surface, ie on the diameter 2a about the same 2 . 2 B instead of being exact 2 B applied. This results D Fresnel = 2a√ n = 2, 2b√ n In order to ensure the concentrated illumination to the edge of the solar cell even with a small inclination setting, ie with low inaccuracy of the sun tracking.

Soll auch der Intensitätsverlust durch die Extinktion α (ca. 0,1) der Fresnel-Linse kompensiert werden, wird zusätzlich die Fläche der Linse um den Faktor 1/(1 – α) vergrößert, d. h. es wird der Durchmesser DFresnel um den Faktor

Figure 00090001
erhöht.If the intensity loss is also to be compensated by the extinction α (about 0.1) of the Fresnel lens, the area of the lens is additionally increased by the factor 1 / (1-α), ie the diameter D Fresnel is increased by the factor
Figure 00090001
elevated.

Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des nachgeführten Konzentratormoduls besteht darin, dass jeder Solarzelle eine eigene Linse und eine eigene Nachführungseinrichtung zugeordnet wird. Dabei wird die Solarzelle im Abstand x = DFresnel =

Figure 00090002
hinter der Linse auf einer wärmespreizenden Kühlplatte mit gleichem Durchmesser wie dem der Fresnel-Linse DFresnel = x angebracht.An inventive embodiment of the tracked concentrator module is that each solar cell is assigned its own lens and its own tracking device. The solar cell is spaced x = D Fresnel =
Figure 00090002
behind the lens on a heat-dissipating cooling plate with the same diameter as that of the Fresnel lens D Fresnel = x attached.

Bei einer ersten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Modul als Kunststoff-Hohlkugel ausgebildet, die im vorderen Bereich eine plane Fresnel-Linse (3) oder eine sphärische Fresnel-Linse (4) mit Durchmesser DFresnel zur n-fachen Fokussierung auf die einzelne Solarzelle im hinteren Teil des Modulgehäuses aufweist.In a first embodiment, the module according to the invention is designed as a hollow plastic ball, which in the front region a plane Fresnel lens ( 3 ) or a spherical Fresnel lens ( 4 ) with diameter D Fresnel for n-fold focusing on the individual solar cell in the rear part of the module housing.

In diesem Fall ist die Brennweite f = x + y der Fresnel-Linse über dem Durchmesser der Hohlkugel fest an den Linsendurchmesser x = DFresnel =

Figure 00090003
gekoppelt.In this case, the focal length f = x + y of the Fresnel lens over the diameter of the hollow sphere is fixed to the lens diameter x = D Fresnel =
Figure 00090003
coupled.

Nach dem Strahlensatz gilt unter Hinweis auf 3 Folgendes:

Figure 00090004
After the set of rays applies with reference to 3 following:
Figure 00090004

Das heißt: alle Geometriedaten des nachgeführten Konzentratormoduls lassen sich aus dem Durchmesser der Zelle ableiten.The means: all geometry data of the tracked concentrator module can be derived from the diameter of the cell.

Für eine runde Zelle mit 2b = 205 mm Durchmesser gilt daher: Dleuchtfleck = 2a = 2, 2b = 1,1·205 mm = 22,55 cm For a round cell with 2 B = 205 mm diameter is therefore valid: D bright spot = 2a = 2, 2b = 1.1 × 205 mm = 22.55 cm

Für n = 10 und α = 0,9 folgt: x = Dfresnel = 22,55 cm·√10/(0.9) = 22,55 cm·10/3 = 225,5/3 cm = 75,2 cm => y = x/[10/3 – 1] = 75,17 cm/2,33333 = 32,21 cm => f = x + y = 75,17 cm + 32,21 cm = 107,4 cm und Dkugel = √2·x = 106,3 cm For n = 10 and α = 0.9 follows: x = D fresnel = 22.55 cm · √ 10 / (0.9) = 22.55 cm × 10/3 = 225.5 / 3 cm = 75.2 cm => y = x / [10/3 - 1] = 75.17 cm / 2.33333 = 32.21 cm => f = x + y = 75.17 cm + 32.21 cm = 107.4 cm and D Bullet = √ 2 X = 106.3 cm

Für eine Konzentration auf 10 Sonnen ist also die Brennweite der Linse bis auf 1% gleich dem Durchmesser der Kugel und √2 mal dem Durchmesser des Leuchtflecks (= 1,1·DZelle).So for a concentration of 10 suns, the focal length of the lens is down to 1% equal to the diameter of the sphere and √ 2 times the diameter of the light spot (= 1.1 · D cell ).

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Strahlungskonzentrator in Form einer Fresnel-Linse und die Kühlplatte 6 in einen Kunststoff-Hohlzylinder 12; 13 (5) eingesetzt. Dieser Kunststoff-Hohlzylinder kann in der gleichen Weise wie die Kugel 9 zweiachsig, d. h. in Azimut und Elevation nachgeführt werden. In diesem Fall kann die Brennweite der Fresnel-Linse 5 unabhängig von ihrem Durchmesser auch kürzer eingestellt werden, so dass sich eine Minimierung der Längenausdehnung des Hohlzylinders ergibt.In a further embodiment of the invention, the radiation concentrator is in the form of a Fresnel lens and the cooling plate 6 in a plastic hollow cylinder 12 ; 13 ( 5 ) used. This plastic hollow cylinder can work in the same way as the ball 9 biaxial, ie be tracked in azimuth and elevation. In this case, the focal length of the Fresnel lens 5 be set shorter regardless of their diameter, so that there is a minimization of the linear expansion of the hollow cylinder.

Der Modulkörper für die genannten Ausführungsformen kann vorteilhaft durch Fügung von Halbkugeln oder Halbschalen zusammengesetzt werden, um sowohl bei der Fertigung als auch bei dem Transport Vorteile zu gewinnen.Of the Module body for the aforementioned embodiments can be advantageous by addition of hemispheres or half shells be assembled to both in the production and at to gain advantages in transport.

Durch die n-fach höhere Lichteinstrahlung wird in der Solarzelle ein n-fach höherer Strom pro Quadratzentimeter Fläche generiert. Wenn erfindungsgemäß Solarzellen mit erhöhter Ausgangsspannung eingesetzt werden (Prinzipdarstellung gemäß 6a und b), wird durch die interne monolithische Serien schaltung von Teilbereichen der Solarzellen die Klemmspannung erhöht und im gleichen Maß die Stromstärke reduziert. Wenn hier bei n-facher Lichtkonzentration in vorteilhafter Weise auch n-Teildioden vorgesehen sind, bleibt die Stromstärke in der bisher verwendeten und beherrschten Größenordnung, während die offene Klemmspannung auf n·VOC ansteigt. Bei typischen Zelldesigns mit VOC = 0,6 V und n = 10 wären dies ca. 6 V. Hieraus folgt, dass eine Zelle, die bei einer Sonne 5 W leistet, bei Bestrahlung mit 10 Sonnen 50 W Energie liefert, ohne dass die Stromstärke wesentlich höher als bei vergleichbaren Standardzellen üblicher geringer Ausgangsspannung ist.Due to the n-times higher light radiation, an n-fold higher current per square centimeter surface is generated in the solar cell. If, according to the invention, solar cells with an increased output voltage are used (schematic illustration according to FIG 6a and b), the clamping voltage is increased by the internal monolithic series circuit of portions of the solar cells and reduced the current to the same extent. If n-diodes are also advantageously provided at an n-fold light concentration, the current intensity remains in the previously used and controlled order of magnitude while the open clamping voltage rises to n * V OC . In typical cell designs with V OC = 0.6 V and n = 10, this would be about 6 V. It follows that a cell that provides 5 W for a sun delivers 50 W of energy when irradiated with 10 suns without the Current is much higher than comparable standard cells usual low output voltage.

Die erfindungsgemäße Modulkonstruktion vereint ein Gehäuse für die Solarzellen, das den Konzentrator, d. h. eine Linse und Abstandshalterung aufnimmt. Das Modul kann, auch teilweise in das Gehäuse integriert, die Antriebseinheit und notwendige Mechanik zum gesteuerten, sonnenstandsabhängigen Nachführen aufweisen.The module construction according to the invention combines a housing for the solar cells, the Konzent rator, ie a lens and spacer receives. The module can also partially integrated into the housing, have the drive unit and the necessary mechanism for controlled, sunlight-dependent tracking.

Wie aus den Darstellungen insbesondere nach den 7A und 7B ersichtlich ist, kann die kugelförmige Variante des vorgestellten Moduls auch auf kleinen Flachdächern stehen bzw. in schräge Dächer hineingebaut werden (letzteres wird in den 7A und B, die Ausführung bezogen auf ein Flachdach mit der 7C dargestellt).As from the representations in particular after the 7A and 7B can be seen, the spherical variant of the presented module can also be on small flat roofs or built into sloping roofs (the latter is in the 7A and B, the execution related to a flat roof with the 7C shown).

Ebenso können die vorgestellten Varianten mit kugelförmigem oder zylinderförmigem Modul bzw. Modulgehäuse auch vorteilhaft in Freilandanlagen und langen Reihen einschließlich an Hügel- oder Berghängen aufgestellt werden (siehe 8A und 8B). Der seitliche Abstand richtet sich hier nach der gewünschten maximalen Winkelposition in Blickrichtung Osten und Westen (9). Das heißt, je später am Morgen mit der Sonnenverfolgung begonnen wird (Morgenwinkel α) und je früher sie am Abend zu beenden ist (Abendwinkel β), desto enger dürfen die Module aneinander rücken, ohne sich gegenseitig abzuschatten.Likewise, the variants presented with spherical or cylindrical module or module housing can also be advantageously placed in outdoor facilities and long rows including on hill or mountain slopes (see 8A and 8B ). The lateral distance depends here on the desired maximum angular position in the direction east and west ( 9 ). That is, the later in the morning with the sun tracking is started (morning angle α) and the sooner it is to end in the evening (evening angle β), the closer the modules may move together without shading each other.

Das Signal für die anzupeilende Position der Strahlungsquelle, d. h. der Sonne, kann aus einem einzigen einfachen Prozessormodul an alle Nachführungseinrichtungen der Anlage gleichzeitig vergeben werden, wodurch sich die Kosten für die Positionserrechnung und Signalausgabe reduzieren.The Signal for the position of the radiation source to be applied, d. H. the sun, can be made from a single simple processor module to all tracking devices of the system at the same time be forgiven, thereby reducing the cost of the position calculation and reduce signal output.

Das Gewicht der einzelnen Module kann sehr gering gehalten werden. Da die Module insbesondere bei der Kugel- und Hohlzylinderform im Schwerpunkt aufgehängt werden, sind die für die notwendigen Nachführungs- und Verstellbewegungen erforderlichen Kräfte und Momente äußerst klein. Damit kann die notwendige Motorisierung einfacher und preiswerter ausfallen.The Weight of the individual modules can be kept very low. There the modules especially in the spherical and hollow cylindrical shape in the center of gravity are hung for the necessary Nachführungs- and adjustment movements required forces and moments extremely small. This can be the necessary Motorization will be easier and cheaper.

Bei einer ergänzenden Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Prinzip der Beleuchtung von einzelnen Silizium-Großzellen mit n-fach konzentriertem Licht auch in einem gemeinsamen Modulträgerkasten mit vielen Fresnel-Linsen 102 auf der sonnenzugewandten Oberfläche und entsprechend vielen Silizium-Solarzellen 103 auf dem Boden des Trägers, der auf einer zweiachsigen Nachführungseinrichtung montiert ist, angewendet werden (siehe 10). Die Höhe 101 des Trägerkastens 100 ist dann so groß wie die optimierte Länge des erfindungsgemäßen Zylinders gemäß der entsprechenden Ausführungsform des Einzelmoduls mit gleichgroßer Linse und gleichgroßer Solarzelle.In a supplementary embodiment, the inventive principle of the illumination of individual large silicon cells with n-times concentrated light can also in a common module carrier box with many Fresnel lenses 102 on the sun-facing surface and correspondingly many silicon solar cells 103 on the floor of the carrier mounted on a biaxial tracking device (see 10 ). The height 101 of the carrier box 100 is then as large as the optimized length of the cylinder according to the invention according to the corresponding embodiment of the single module with the same size lens and the same size solar cell.

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Claims (22)

Photovoltaisches Solarmodul, umfassend mindestens eine Solarzelle mit einem optischen Strahlungskonzentrator, wobei das Modul mit einer Antriebseinheit zum gesteuerten, sonnenstandsabhängigen Nachführen in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle bei Standardabmessungen industriell gefertigter Siliziumzellen eine erhöhte Ausgangsspannung aufweist, wobei der Strahlungskonzentrator so ausgelegt ist, dass bei einer Anordnung von Solarzelle und Strahlungskonverter an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Moduls der erhaltene Leuchtfleck eine konzentrierte Beleuchtung bis zum Solarzellenrand hin ermöglicht.Photovoltaic solar module, comprising at least one solar cell with an optical radiation concentrator, wherein the module is connected to a drive unit for controlled, sunlight-dependent tracking, characterized in that the solar cell has a higher output voltage for standard dimensions of industrially manufactured silicon cells, wherein the radiation concentrator is designed so in the case of an arrangement of the solar cell and the radiation converter on essentially opposite sides of the module, the light spot obtained enables concentrated illumination as far as the solar cell edge. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator und die Solarzelle auf einer gemeinsamen Achse, einander gegenüberliegend und konzentrisch angeordnet sind.Module according to claim 1, characterized in that the concentrator and the solar cell on a common axis, are arranged opposite each other and concentric. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator als eine plankonvexe Linse, eine planare Fresnel-Linse oder als sphärische Fresnel-Linse ausgebildet ist.Module according to claim 1 or 2, characterized that the concentrator as a plano-convex lens, a planar Fresnel lens or formed as a spherical Fresnel lens. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite der Linse so gewählt ist, dass bei vorgegebenem Abstand zwischen Linse und Solarzelle der Durchmesser des Leuchtflecks an dieser Abstandsposition gleich oder unwesentlich größer als der Zellendurchmesser ist.Module according to claim 3, characterized in that the focal length of the lens is chosen so that at a given Distance between lens and solar cell the diameter of the light spot equal or insignificantly larger at this distance position as the cell diameter is. Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskonzentrationsfaktor der Anordnung zwischen 2 und 20, bevorzugt zwischen 4 und 10 liegt.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation concentration factor the arrangement is between 2 and 20, preferably between 4 and 10. Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine rückseitige Kühlplatte aufweist.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the solar cell is a backside Has cooling plate. Modul nach Anspruch 3 oder 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenabmessungen der Kühlplatte im Wesentlichen derjenigen der eingesetzten Linse entsprechen.Module according to claim 3 or 4 and 6, characterized that the area dimensions of the cooling plate in Substantially correspond to those of the lens used. Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer kreisrunden Linse der Linsendurchmesser dem Durchmesser der ebenfalls kreisförmigen Kühlplatte entspricht.Module according to claim 7, characterized in that for a circular lens, the lens diameter is the diameter the likewise circular cooling plate corresponds. Model nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse die Form einer Kugel aufweist, wobei innerhalb der Kugel die Solarzelle und der Strahlungskonverter angeordnet sind.Model according to one of the preceding claims, characterized in that the module housing the shape having a ball, wherein within the ball, the solar cell and the radiation converter are arranged. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse die Form eines Hohlzylinders aufweist, wobei innerhalb des Hohlzylinders die Solarzelle und der Strahlungskonverter angeordnet sind.Module according to one of claims 1 to 8, characterized in that the module housing is in the form of a Hollow cylinder, wherein within the hollow cylinder, the solar cell and the radiation converter are arranged. Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer sphärischen Fresnel-Linse als Strahlungskonzentrator die Linse in den Kugelmantel eingebettet ist und einen Bestandteil der Kugel oder des Kugelmantels bildet.Module according to claim 9, characterized in that in a spherical Fresnel lens as a radiation concentrator the lens is embedded in the bullet and a component the ball or the ball sheath forms. Modul nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle mit Kühlplatte entlang eines eine Kugelkappe abtrennenden Abschnitts in den Kugelmantel eingesetzt ist.Module according to claim 9 or 11, characterized that the solar cell with cooling plate along a a ball cap separating section is inserted into the ball jacket. Modul nach Anspruch 9, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Linse entlang eines eine Kugelkappe abtrennenden Abschnitts in den Kugelmantel an einer Stelle eingesetzt ist, die der Position der Solarzelle parallel gegenüberliegt.Module according to claim 9, 11 or 12, characterized that the planar lens along a separating a ball cap Section is inserted into the ball jacket at a location that the position of the solar cell is parallel opposite. Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Strahlungskonzentrator und Solarzelle etwa gleich dem Durchmesser des Konzentrators ist.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the radiation concentrator and solar cell is about equal to the diameter of the concentrator. Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugeldurchmesser mindestens um den Faktor größer als der Durchmesser des Strahlungskonzentrators ist.Module according to claim 9, characterized in that the ball diameter at least larger by a factor than the diameter of the radiation concentrator. Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Strahlungskonzentrator und Solarzelle innerhalb des Hohlzylinders gleich oder kleiner als der Durchmesser des Strahlungskonzentrators ist.Module according to claim 10, characterized in that that the distance between radiation concentrator and solar cell within the hollow cylinder equal to or smaller than the diameter of the radiation concentrator. Modul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskonzentrator die Bodenfläche und die Solarzelle die Deckfläche des Hohlzylinders bilden, wobei die Längsachse des Hohlzylinders zur Strahlungsquelle gerichtet nachgeführt wird.Module according to Claim 16, characterized that the radiation concentrator the floor surface and the Solar cell form the top surface of the hollow cylinder, wherein directed the longitudinal axis of the hollow cylinder to the radiation source is tracked. Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse aus zwei halbkugel- oder halbschalenförmigen Körpern zusammensetzbar ist.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the module housing of two hemispherical or half-shell-shaped bodies composable is. Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine quadratische oder quasiquadratische Flächenform besitzt.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the solar cell is a square or has quasi-square surface shape. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine Kreis- oder kreisähnliche Flächenform besitzt.Module according to one of claims 1 to 18, characterized in that the solar cell is a circular or circular Has surface shape. Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Einzelmodulen auf oder in einem gemeinsamen flächigen Träger oder Trägerkasten angeordnet ist, wobei der Träger oder Trägerkasten die Nachführungs-Antriebseinheit aufweist oder mit einer solchen Einheit in Verbindung steht.Module according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of individual modules or in a common planar carrier or Carrier box is arranged, wherein the carrier or carrier box the tracking drive unit or communicates with such a unit. Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung um einen Faktor zwischen 2 und dem Konzentrationsfaktor des Strahlungskonzentrators erhöht ist.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the output voltage by a factor between 2 and the concentration factor of the radiation concentrator is increased.
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