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Die
Erfindung betrifft ein offenes Konzentratorsystem für Solarstrahlung
umfassend einen Hohlspiegel und ein in dessen Fokus angeordnetes
Photovoltaikmodul aus mehreren Solarzellen, wobei das Photovoltaikmodul
durch ein Gehäuse verkapselt ist. Das Gehäuse
ist dabei so ausgebildet, dass es mindestens im Bereich der durch
den Hohlspiegel reflektierten einfallenden Strahlung eine transparente
Abdeckung aufweist und dass diese transparente Abdeckung vom Photovoltaikmodul
beabstandet ist, d. h. im Kegel der einfallenden Strahlung liegt.
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Sogenannte
offene Konzentratorsysteme für Solarstrahlung zur Stromnutzung
gewinnen in jüngster Zeit zunehmend an Bedeutung. Derartige
offene Konzentratorsysteme sind insbesondere für Photovoltaikanwendungen
interessant, wo hochkonzentrierte Solarstrahlung auf eine kleine
Fläche fokussiert wird. Im Fokuspunkt befinden sich viele
Solarzellen, die zu einem dicht gepackten Photovoltaikmodul verschaltet
sind. Die Fläche des Solarzellenmoduls liegt in der Größenordnung
von cm2 bis einige 100 cm2. Eine
Möglichkeit das Licht zu konzentrieren ist, die Solarstrahlung
an entsprechend ausgerichteten Spiegeln zu reflektieren. Dabei kann
die Strahlung bis über 1000-fach konzentriert werden. Die
Spiegel bilden ein großes, offenes Konzentratorsystem,
das dem Stand der Sonne nachgeführt wird. Es kann z. B. ein
ca. 10 m2 großer Parabolspiegel
eingesetzt werden, in dessen Zentrum sich das dicht gepackte Konzentratormodul
befindet. Im Lajamanu-Kraftwerk (Northern Territory) sind seit 2006
Konzentratorsysteme installiert, deren Holspiegel eine Fläche
von 129,7 m2 und der Photovoltaikreceiver
eine Fläche von 0,235 m2 haben
(siehe z. B. „Performance and reliability of multijunction
III–V Modules for concentrator dish and central receiver
application, „Proceedings of the 4th World
Conference on Photovoltaic Energy Conversion” 2006 in Waikoloa,
Hawaii, USA). Die Solarstrahlung ist im Fokus 500-fach konzentriert.
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Das
Modul muss dabei aber vor Witterungseinflüssen geschützt
werden, d. h. zum Beispiel vor eindringender Feuchtigkeit und Staubpartikel
und vor mechanischer Beanspruchung wie z. B. Hagel, Regen. Daher
muss das Modul frontseitig abgedeckt werden. Um Einstrahlungsverluste
gering zu halten, muss das Material der Verkapselung möglichst
hohe Transmissions- und geringe Absorptions- und Reflexionseigenschaften
aufweisen. Herkömmliche Solarmodulverkapselungen werden
durch den Einsatz von transparenten Vergussmassen realisiert und
teilweise wird das Modul mit einer Glasplatte (z. B. gehärtetes,
eisenarmes Weißglas) abge deckt. Wie in Díaz, V.,
Pérez, J. M., Algora, C., Alonso, J. „Outdoor
characterisation of GaAs solar cell under tilted light for its encapsulation
inside optic concentrators" Isofoton (Spain), 17th European
Photovoltaic Solar Energy Conference, 2001, Deutschland beschrieben,
wird z. B. PMMA Polymethylmethacrylat als Vergussmasse verwendet.
Oder das Modul wird mit Folien einlaminiert (z. B. Ethylen-Vinyl-Acetat(EVA)-Schmelzklebefolie
(Dr. Stollwerck, G. „Kunststoffverkapselung für Solarmodule",
Bayer Polymers AG, Leobener Symposium Polymeric solar materials,
Deutschland, 2003). Das sind jedoch Anwendungen, bei denen
ein Flachmodul mit nicht-konzentrierter Sonnenstrahlung (1 Sonne)
oder schwach konzentriertem Sonnenlicht (bis ca. 20 Sonnen) bestrahlt
wird.
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Im
Stand der Technik sind weiterhin Konzentratorsysteme bekannt, bei
denen Linsen für die Konzentration der Solarstrahlung verwendet
wird. Bei diesen Anwendungen wird das Modul allerdings über die
Linse verkapselt, d. h. es handelt sich demnach um geschlossene
Konzentratorsysteme, bei denen der Luftraum zwischen dem Modul und
dem Konzentrator vollständig verkapselt ist. Die Verkapselung
befindet sich somit nicht in einem Bereich mit hoch konzentriertem
Sonnenlicht.
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Bei
offenen Konzentratorsystemen, wo die Strahlung z. B. über
große Hohlspiegel von 10 m2 und
mehr konzentriert wird, liegt das Solarmodul mit einer Fläche
von cm2 bis einigen 100 cm2 in
einem Bereich mit sehr hoher Lichtintensität. Das Modul
besteht aus mehreren Solarzellen, die dicht gepackt auf kleiner
Fläche verschaltet werden. Der Aufbau des Moduls ist einem
Silizium-Flachmodul ähnlich, nur dass bei einem Konzentratormodul
die Fläche deutlich kleiner ist und das Modul nicht mit
1 Sonne sondern ca. 1000 Sonnen bestrahlt werden. Um ein Überhitzen
zu vermeiden, ist das Konzentratorsolarmodul in der Regel mit einer
sehr effektiven passiven oder aktiven Kühlung versehen.
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Im
Gegensatz zu geschlossenen Konzentratorsystemen wird bei offenen
Systemen die Verkapselung des Photovoltaikmoduls von konzentrierter Solarstrahlung
durchstrahlt. Der Konzentrator wird der Sonne nachgeführt,
so dass der Fokuspunkt während des Betriebs immer auf der
Photovoltaikzelle liegt. Unter bestimmten Bedingungen (z. B. beim Starten
des Betriebs, am Morgen oder nach einem Ausfall des Nachführsystems)
muss der Strahlungskegel neu ausgerichtet werden. Dazu muss der Strahlungskegel über
den Rand der Verkapselung geführt werden. Dies bedeutet
eine besonders hohe thermische Beanspruchung.
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Um
Effizienzverluste des Systems gering zu halten, muss eine hohe Transmission
der Solarstrahlung durch die Verkapselung gewährleistet
sein. Des Weiteren wird Wärme in der Verkapselung absorbiert,
was bei der Konstruktion und Auswahl der Materialien beachtet werden
muss. Die Abschattung der Spiegelfläche soll durch die
Verkapselung möglichst nicht erhöht und der Strahlengang
nicht gebrochen werden.
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Eine
mögliche Verkapselung des Moduls, um die vorstehend genannten
Probleme zu beseitigen mit einer dünnen Glasscheibe, die
noch ggf. mit einer dünnen Schicht einer Vergussmasse,
wie z. B. Silikon, versehen ist, bringt aber ebenfalls Nachteile
mit sich. Um die Gefahr der Überhitzung zu vermeiden, sollte
die auf einer Glasschicht auflaminierte Silikonschicht bei einer
1000-fachen Konzentration der Solarstrah lung eine Dicke von einigen
Zehntel Millimetern nicht überschreiten. Hierdurch ergeben
sich dann folgende Probleme:
- • Herkömmlich
eingesetzte transparente Vergussmassen sind typischerweise temperaturbeständig bis
max. 200°C. Die Kühlung der Vergussmasse müsste über
das gekühlte, dicht gepackte Modul erfolgen. Transparente
Vergussmassen haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit.
Z. B. hat das hochtransparent Silikon „Dow Cornings Sylgard 184” einen
Wärmeleitfähigkeitkoeffizienten von 0,18 W/(m·K).
Eine Schichtdicke von mehreren Zehnteln Millimetern könnte
eine nicht mehr ausreichende Kühlung und ein Überhitzen
zur Folge haben. Dies hätte eine Verfärbung, Zersetzung oder
Verbrennen der Vergussmasse zur Folge.
- • Es treten erhebliche Spannungen durch unterschiedliche
thermische Ausdehnung auf. Der lineare Ausdehnungskoeffizient von
Silikon ist höher als der von Glas (z. B. „Dow
Cornings Sylgard 184” 330 10–6 1/K
und im Vergleich zu 3,3 10–6 1/K von
Borosilikatglas (siehe http://www.duran-group.com/english/products/duran/properties/physik.html).
Dies führt zu einem Heben und Senken der Glasplatte und
erschwert eine zusätzliche, seitliche Verkapselung der
Glasplatte, des Solarmoduls und der Vergussmasse. Weiterhin führen
die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Glasplatte und
Vergussmasse (Silikon) zu Scherspannungen im Silikon.
- • Silikon ist anfällig gegen Umwelteinflüsse
(Wasser, Schmutz). Am Rand der Glasplatte liegt das Silikon seitlich
offen. Hier müsste das Silikon durch eine weitere Vergussmasse
geschützt werden. Dies wird durch die thermischen Spannungen
erschwert.
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Ausgehend
hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verkapselung
von einem Photovoltaikmodul in einem offenen Konzentratorsystem
vorzuschlagen, bei dem möglichst eine Überhitzung
des Verkapselungsmaterials vermieden wird, so dass dadurch ein sicherer
Betrieb eines Konzentratorsystems möglich ist, d. h. ein
Betrieb, der Schutz vor Witterungseinflüssen gewährleistet.
Weiterhin sollte eine hohe Lichtdurchlässigkeit bei geringer
Absorption und geringer Reflexion gegeben sein.
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Die
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die
Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
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Erfindungsgemäß wird
somit vorgeschlagen, dass das Photovoltaikmodul in einem offenen
Konzentratorsystem durch ein Gehäuse verkapselt ist, wobei
das Gehäuse mindestens im Bereich der durch den Hohlspiegel
reflektierten einfallenden Strahlung eine transparente Abdeckung
aufweist und dass mindestens im Bereich der transparenten Abdeckung das
Gehäuse des Photovoltaikmoduls von der transparenten Abdeckung
beabstandet ist.
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Das
Photovoltaikmodul, das im Fokus innerhalb des Gehäuses
angeordnet ist, ist ein Photovoltaikmodul, wie es an und für
sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und besteht aus mehreren
Solarzellen, die miteinander verschaltet sind. Beispielsweise können
mehrere Chips, auf denen je eine Vielzahl von Solarzellen angeordnet
ist, verwendet werden, z. B. 24 Chips mit 600 einzelnen Solarzellen. Bevorzugt
bestehen die Solar zellen aus Silizium oder Halbleitern aus Elementen
der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Germanium.
Besonders hohe Wirkungsgrade können mit Mehrfachsolarzellen
erzielt werden, bei denen mehrere Solarzellen mit verschiedenen
Bandlücken des Halbleiters übereinander gewachsen
sind. Wie ebenfalls bereits im Stand der Technik schon bekannt,
ist das Photovoltaikmodul normalerweise mit elektrischen Anschlüssen versehen,
die nach außen geführt werden.
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Beim
Hohlspiegel, der beim offenen Konzentratorsystem nach der Erfindung
eingesetzt wird, wird bevorzugt ein Parabolspiegel verwendet.
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Durch
diese erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung
des Solarmoduls innerhalb des Gehäuses wird nun erreicht,
dass das das Solarmodul umgebende Gehäuse und hier die
transparente Abdeckung nicht im Fokus der reflektierten Strahlung des
Hohlspiegels liegt, sondern im Kegel. Dadurch, dass nun die transparente
Abdeckung des Gehäuses im Strahlungskegel liegt, ist auch
eine geringere Strahlungsdichte bei der transparenten Abdeckung gegeben.
Die Temperatur in der Verkapselung wird dadurch gegenüber
der Temperatur, die im Fokus der reflektierten Strahlen, d. h. beim
Photovoltaikmodul, aufträte, deutlich reduziert. Eine Temperatur
stellt sich nur dann ein, wenn sich an dieser Stelle tatsächlich
eine Glasplatte im thermischen Gleichgewicht befindet. Damit ist
es auch möglich, für die transparente Abdeckung
z. B. Glas auszuwählen, wodurch eine hohe Lichtdurchlässigkeit
und eine geringe Absorption sowie geringe Reflektion erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch
das Gehäuse das Solarmodul vollständig abgekapselt
ist, so dass auch Schutz vor Witterungseinflüssigen, Staub,
Dreck, Regen, Feuchtig keit und Hagel gegeben ist. Die hermetische
Verkapselung erlaubt außerdem eine Evakuierung oder eine Druckabsenkung.
Durch diese Maßnahmen wird ein Überdruck beim
Aufheizen des eingeschlossenen Gases vermieden. Außerdem
kann die Verkapselung mit einem Inertgas befüllt werden,
das chemische Reaktionen, wie beispielsweise Oxidation verhindert.
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Alternativ
kann die Verkapselung mit Inertgas unter einen leichten Überdruck
gesetzt werden. Bei leichter Leckage würde Gas austreten,
aber keine feuchte Luft von außen in die Verkapselung gezogen.
Wegen des oben beschriebenen Problems ist es wichtig, dass bei dieser
Konstruktion ein Druckausgleichsgefäß angebracht
wird.
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Der
Abstand zwischen der transparenten Abdeckung des Gehäuses
und dem Photovoltaikmodul wird vorteilhafterweise so gewählt,
dass die Lichtintensität der einfallenden Strahlung im
Bereich der transparenten Abdeckung des Gehäuses mindestens
um den Faktor 2, bevorzugt um den Faktor 3, besonders bevorzugt
um den Faktor 5, und ganz besonders bevorzugt um den Faktor 10 kleiner
ist als im Bereich des Fokus beim Photovoltaikmodul.
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Die
genaue Auswahl des Abstands wird vorteilhafterweise so vorgenommen,
dass das Material der Verkapselung den erhöhten Temperaturen
bei der Bestrahlung standhält. Wenn die transparente Abdeckung
z. B. aus Glas gebildet ist und die bestrahlte Glasfläche
die fünffache der Fläche im Fokus beträgt,
reduziert sich die Strahlungsintensität entsprechend auf
1/5. Dadurch reduziert sich auch der Wärmeeintrag entsprechend.
Bei einer Konzentration von 1000 Sonnen im Fokus beträgt
die Strahlungskonzentration 200 Sonnen auf der Glasfläche. Simulationsberechnungen
ergaben eine Reduktion der Temperatur im Glas von 270 K.
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Bei
einer Absorption des Sonnenlichts von 5 einem Infrarotemissionsgrad α von
0,9 und der Strahlungsintensität von 1000 kW/m2 ergibt
sich eine Temperatur in der transparenten Abdeckung im Beispielsfall
aus Glas von 567°C. Bei gleich bleibenden Materialeigenschaften
und der Strahlungsintensität von 200 kW/m2 berechnet
sich die Temperatur auf 297°C. Als Berechnungsgrundlage
dient das Prinzip einer Glasscheibe im Strahlungsgleichgewicht.
Wärmeübertragung durch Konvektion wird vernachlässigt. Die
Glasscheibe absorbiert wenig im spektralen Bereich des Sonnenlichts.
Sie verhält sich als nahezu schwarzer Strahler für
die Energieabstrahlung im Infraroten. Die Abstrahlung an der Glasscheibe
erfolgt in beiden Richtungen. Entsprechend dieser Berechnung könnte
deshalb z. B. bei dem Abdeckungsmaterial Borsilikatglas als Verkapselungsmaterial
verwendet werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Konzentratorsystem ist es
weiterhin bevorzugt, wenn das Gehäuse mit dem Photovoltaikmodul
ggf. mit Kühlung über einen Träger am
Hohlspiegel befestigt ist, so dass dadurch eine exakte Justierung
im Kegel der reflektierten Strahlung aus dem Hohlspiegel möglich
ist.
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In
Bezug auf die Ausbildung des Gehäuses mit der transparenten
Abdeckung wird gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung vorgeschlagen, dass das Gehäuse selbst und
auch die transparente Abdeckung aus Glas bestehen. Für
diese Ausführungsform kann somit jedes Glasgehäuse
verwendet werden und das Photovoltaikmodul in dem Glasgehäuse
entsprechend den vorstehend genannten Bedingungen angeordnet werden.
Be vorzugt ist es dabei, wenn das Glasgehäuse in Form eines
Glaskolbens ausgebildet ist. Beim Glas handelt es sich dabei bevorzugt
um ein Borsilikatglas, ein Quartzglas oder eine Glaskeramik. Bei
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform befindet sich
somit das Glas im Strahlungskegel, d. h. im Bereich geringer Strahlungsdichte
und damit außerhalb des Fokusses. Die Verwendung eines
Glaskolbens mit einer gekrümmten Oberfläche bringt
noch den weiteren Vorteil mit sich, dass dadurch die Strahlung annähernd
orthogonal auf die Glasoberfläche auftritt und somit wenig abgelenkt
oder reflektiert wird. Durch eine planparallele Glasplatte wird
ein Lichtstrahl nicht abgelenkt, sondern lediglich versetzt. Die
Reflexion ist eine Herausforderung bei den hier vorgestellten Verkapselungstechniken
und nimmt bei flachem Lichteinfall noch zu. Deshalb ist hier die
gekrümmte, transparente Frontabdeckung von Vorteil. Die
elektrischen Anschlüsse und ggf. Kühlwasserzuführungen
sind mit einem Strahlungsschutz versehen und können z.
B. über ein am Kolben angeschmolzenes Glasrohr nach außen
geführt werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass das Gehäuse durch eine nicht-transparente, opake Gehäusewand
und eine im Bereich der einfallenden Strahlung eingesetzte transparente
Abdeckung gebildet ist. „Opak” bedeutet im physikalischen
Sinne „trübe” bzw. „nicht vollständig
transparent”. Ebenso sind aber auch vollständig
lichtundurchlässige Seitenwände denkbar. Das Gehäuse
und/oder auch die transparente Abdeckung kann hierbei doppelwandig
unter Ausbildung eines Kühlwasserkreislaufs ausgebildet
sein. Durch die Verwendung eines Kühlwasserkreislaufs und
damit einer Kühlung des Gehäuses und/oder der
transparenten Abdeckung wird weiterhin eine deutliche Temperaturreduzierung
gewähr leistet. Die Seitenwände müssen
dabei nicht unbedingt doppelwandig sein, sondern können
auch von Kühlkanälen durchzogen sein. Auch eine
passive Kühlung der opaken Seitenwände durch Konvektion
und Strahlung ist denkbar. Die transparente Abdeckung kann auch
für diesen Fall wieder aus Glas, bevorzugt aus Borsilikatglas
bestehen. Die nicht-transparente opake Gehäusewand besteht
bevorzugt aus Metall, wie z. B. Aluminium oder Kupfer. Eine günstige
geometrische Ausführungsform ist ein doppelwandiges Rohr,
an dessen Stirnseiten dann für den Fall mit der Wasserkühlung
eine doppelwandige Abdeckung angebracht ist. Ein Vorteil dieser
Ausführungsform ist darin zu sehen, dass der Kühlwasserkreislauf
für das Gehäuse und die transparente Abdeckung
auch mit einem ggf. vorhandenen Kühlwasserkreislauf für
das Photovoltaikmodul kombiniert werden kann, d. h. es wird ein gemeinsamer
Kühlkreislauf für das Photovoltaikmodul und das
Gehäuse mit der transparenten Abdeckung verwendet. Selbstverständlich
kann die opake Abdeckung auch von der Zylinderform abweichen. Sie
ist nicht zwangsläufig doppelwandig sondern kann auch mit
Kühlkanälen für einen Kühlkreislauf versehen
sein. Ebenso ist eine rein passive Kühlung durch Strahlung
und Konvektion möglich. Die aktive Kühlung der
opaken Abdeckung bzw. des opaken Gehäuses kann auch dann
sinnvoll sein, wenn die transparente Frontabdeckung einwandig ausgeführt ist.
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Die
opaken Teile des Gehäuses können ebenso eine reflektive
Beschichtung aufweisen, die den Wärmeeintrag in die Gehäusewand
durch Reflexion des einfallenden Lichtes nach außen reduziert.
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Der
Innenraum des Gehäuses kann dabei z. B. mit Inertgas gefüllt
oder aber auch evakuiert sein. Tatsäch lich ist jedoch Sauerstoffausschluss
nicht unbedingt erforderlich, jedoch Feuchtigkeitsausschluss in
der Verkapselung vorteilhaft. Dazu kann ein Trocknungsmittel, wie
z. B. Silica-Gel, verwendet werden, das in das Gehäuse
eingebracht ist. Dieses Trocknungsmittel hat zwar eine begrenzte
Wasseraufnahmefähigkeit, gibt jedoch die Feuchtigkeit bei
hoher Temperatur wieder ab und kann somit beispielsweise im Betrieb
des Konzentratorsystems regeneriert werden. Dazu könnte
beispielsweise ein Behälter mit Silica-Gel derart an der
Verkapselung angebracht werden, dass es sich beim Betrieb des Konzentratorsystems
stark erwärmt. Eine geeignete Regelung des Luftaustauschs
kann sicherstellen, dass die Luft auf dem Weg nach außen
das heiße Silica-Gel passiert und dabei Feuchtigkeit mitnimmt.
Auf dem Weg in die Verkapselung sollte die Luft hingegen kaltes
Silica-Gel passieren und dadurch getrocknet werden. Die Regelung
des Luftstroms kann aktiv über Magnetventile gesteuert
werden. Es ist auch eine passive Regelung über Bimetall-
und Rückschlagventile denkbar. Das Trocknungsmittel kann
ebenso in der Luftzu- oder -abfuhr des Gehäuses untergebracht sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 näher
erläutert.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines offenen Konzentratorsystems nach der
Erfindung,
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2 zeigt
in vergrößerter Darstellung ein Gehäuse
mit einem Photovoltaikmodul in Form eines Glaskolbens,
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3 zeigt
ein Gehäuse in doppelwandiger Ausführungsform
mit einer eingesetzten Glasscheibe,
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4 zeigt
zwei Photovoltaik-Module mit rechteckiger bzw. runder Form und dichtgepackten Photovoltaikzellen,
Wärmeüberträger und Kühlwasseranschlüssen,
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5 zeigt
einen Querschnitt der elektrischen Leiter, der durch Fläche
A und B führt,
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6 zeigt
die Verkapselung eines rechteckigen Moduls, und
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7 zeigt
die Verkapselung eines runden Moduls.
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1 zeigt
nun im Schnitt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen
offenen Konzentratorsystems 15. Das Konzentratorsystem 15 besteht im
Beispielsfall der Ausführungsform nach der 1 aus
einem Hohlspiegel 5, der als Konzentrator wirkt. In der 1 sind
die auf dem Konzentrator einfallenden Strahlen mit 6 und
die reflektierten Strahlen mit 7 bezeichnet. Das Gehäuse 4 ist
im Beispielsfall der 1 in Form eines Glaskolbens
ausgebildet. Das Photovoltaikmodul 1 ist im Gehäuse 4 in
Form eines Glaskolbens im Fokus der reflektierten Strahlen angeordnet.
Das Gehäuse 4 mit den im Gehäuse angeordneten
Photovoltaikmodul 1 ist dabei über einen Träger 8 am
Konzentrator (Hohlspiegel) 5 befestigt. Das Photovoltaikmodul 1 besteht
aus mehreren Solarzellen, die auf einem Kühlkörper
angebracht sind und weist elektrische Anschlüsse 9 auf
(siehe hierzu 2), über die der produzierte
Strom abgenommen wird.
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Die
Anordnung des Photovoltaikmoduls 1 im Gehäuse 4,
hier im Glaskolben, ist detailliert aus der 2 zu entnehmen.
Das Photovoltaikmodul 1 ist danach durch eine Glasabdeckung 4 geschützt.
Wie aus der 2 hervorgeht, liegt das Glas
im Strahlungskegel, wobei hier eine geringere Strahlungsdichte als
auf der Oberfläche der Solarzellen vorherrscht. Der Glasschutz
zeichnet sich durch eine gekrümmte Oberfläche
aus. Dadurch trifft die Strahlung 7 im gesamten Bereich
des Glasschutzes annähernd orthogonal auf die Glasoberfläche
und wird so wenig abgelenkt oder reflektiert. Die elektrischen Anschlüsse
und Kühlwasserzuführungen 9 sind mit
einem Strahlungsschutz versehen und können z. B. über
ein am Boden angeschmolzenes Glasrohr nach außen geführt
werden. Bei einer Konzentration von 200 Sonnen auf der Wand des
Glaskolbens von einer Wandstärke von 6 mm kann Borsilikatglas
für die Verkapselung verwendet werden. Borsilikatglas ist
im Gegensatz zu Quarzglas kostengünstiger. Das bedeutet,
dass die Verkapselung auch entsprechend kostengünstig realisierbar
ist. Bei einer hermetischen Abdichtung der Verkapselung ist ein
Feuchtigkeitseintrag ausgeschlossen, der zu Niederschlag auf der
Glasoberfläche und Degradation des Photovoltaikmoduls 1 führen
kann. Der Glaskolben des Gehäuses 4 wird in der
Ausführungsform der 2 über ein
Anschlussrohr mit dem Träger 8 (siehe hierzu 1)
und dem Konzentrator 5 verbunden. Für den Träger 8 wird
bevorzugt Metall verwendet. Dadurch, dass nun für den Träger 8 Metall
verwendet wird und das Gehäuse 4 aus Glas besteht,
ergibt sich ein Glas-Metall-Übergang. Durch die geringe
Wärmeleitung im Glas und dadurch, dass der Flansch nicht
direkt im Fokus liegt, ist die Temperatur im Flansch gering. Dadurch
entstehen geringe mechanische Spannungen an der Verbindungsstelle,
die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
der beiden Materialien auftreten. Die Gefahr eines Brechens des
Glases ist dadurch reduziert.
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3 zeigt
nun schematisch im Aufbau eine zweite Ausführungsform zur
Ausbildung des Gehäuses und der transparenten Abdeckung.
Bei der Ausführungsform nach 3, die hier
ausschnittsweise im Schnitt dargestellt ist, strömt zwischen
den zwei Glasschichten 10 Kühlwasser. Um keine
zusätzlichen Verluste zu erzeugen, sollte als Kühlmedium
z. B. deionisiertes Wasser verwendet werden. Die Kühlwasserleitung 12 kann
mit dem Kühlwasseranschluss des Kühlkörpers 3 der
Photovoltaikzellen verbunden werden und bildet somit einen Kühlwasserkreislauf.
Das bedeutet, das Kühlwasser kann z. B. zuerst die Photovoltaikzellen 2 und
anschließend die Verkapselung kühlen. Die Reihenfolge
wird vorzugsweise so gewählt, da in der Verkapselung höhere
Betriebstemperaturen auftreten können.
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Da
das Kühlwasser thermische Energie aufnimmt, steigt die
Kühlwassertemperatur in Flussrichtung. Die Temperatur des
Kühlwassers hängt ab vom eingestellten Volumenstrom
von der Kühlwassereintrittstemperatur und den Temperaturen
in den zu kühlenden Komponenten. Um die thermische Energie nutzen
zu können, sollte die Kühlwasseraustrittstemperatur
mindestens 80°C betragen. Dabei gilt, dass sich durch höhere
Temperaturen mehr Möglichkeiten ergeben, die thermische
Energie zu nutzen. Eine höhere Temperatur in der Photovoltaikzelle
bedeutet aber auch eine geringfügige Reduktion des Wirkungsgrades
und somit einen verminderten elektrischen Eintrag.
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Eine
weitere Möglichkeit des Aufbaus ist es, die Kühlwassersysteme
(Verkapselung und Photovoltaikmodul) zu trennen. Das bedeutet, zwei
Kühlwasserkreisläufe müssen betrieben
werden.
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Das
Photovoltaikmodul 1 befindet sich in der Ausführungsform
nach 3 in einem Modulgehäuse 11.
Abhängig von der Größe, Aufbau und Material muss
es auch wassergekühlt sein und es kann zusätzlich
thermische Energie gewonnen werden. Dabei kann es mit der wassergekühlten
Frontseite eine Baugruppe aus transparentem Material bilden und damit
trägt der Aufbau nur geringfügig zur Abschattung
auf der Spiegelfläche bei. Dies kann dadurch realisiert
werden, indem das Photovoltaikmodul 1 z. B. an einem doppelwandigen
Rohr platziert wird. Außerdem ist vorzugsweise ein hermetischer
Metall-Glas-Übergang konstruktiv zu realisieren, besonders
wenn die Temperaturen häufig wechseln. Das Gehäuse
kann auch aus opakem Material hergestellt werden. Da so nur ein
minimaler Strahlungsanteil transmittiert, kann mehr thermische Energie
vom Kühlwasser aufgenommen und genutzt werden.
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Bei
Kühlung der Verkapselung wird Strahlung im Kühlwasser
absorbiert. Dabei ist die Absorption im Bereich der infraroten Wellenlänge
sehr hoch. Wellenlängen höher als die Energiebandlücke
werden in den Photovoltaikzellen nicht genutzt, da die Energie der
Strahlung nicht ausreicht, Elektronen im Valenzband des Halbleiters
in das Leitungsband zu heben. Somit kann diese Strahlung nicht zur
Stromproduktion genutzt werden. Durch Absorption im Kühlwasser
kann die Energie jedoch zusätzlich zur thermischen Gewinnung
genutzt werden, wodurch eine deutliche Effizienzsteigerung und Gesamtenergieausbeute
ermöglicht wird.
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In
der Verkapselung entstehen weitere Strahlungsverluste durch Absorption
und Reflexion in den Glasschichten. Strahlungsverluste durch Reflexion
können jedoch durch eine optional auf der Verkapselung
aufgebrachte Antireflexbeschichtung reduziert werden.
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Spezielle
Aufbauten des Photovoltaikmoduls 1 werden im Detail in 4 bis 7 dargestellt.
Gemäß den Ausführungsformen der 4 ist
das Photovoltaikmodul dabei entweder rechteckig oder rund. Das Modul 1 besteht
aus dicht gepackten Konzentratorzellen 2 und einer Wärmesenke 13,
also einem Kühlelement, über das die Wärme
abgeführt werden kann. Die geometrische Form hat mindestens
zwei parallele aber nicht notwendigerweise planparallele Oberflächen
A und B, die sich in einem Abstand von einigen Millimetern befinden.
Das Modul kann die Form eines rechteckigen Prismas oder Zylinders
haben. Dabei ist das Modul 1 direkt auf dem Verkapselungsboden 13,
der als Wärmeüberträger fungiert, aufmontiert.
Auf der bestrahlten Fläche A sind Konzentratorsolarzellen 2 (nicht
dargestellt) angebracht. Die Seite A wird von elektrischen Leitern 9a durchdrungen,
mindestens zwei bilden den positiven und negativen elektrischen
Kontakt des Moduls. Die Leiter 9a sind durch die Oberflächen
A und B geführt und sind vom Modul 1 elektrisch
isoliert, mechanisch befestigt und thermisch durch eine flüssigkeitsundurchlässige
und elektrisch isolierte Zwischenschicht von Wärmeträgermedium,
das in den Kühlwasseranschlüssen 9b geführt
wird, getrennt. Die Leiter 9a sind gasdicht mit dem umgebenden
Aufbau verbunden. Die Durchführung der elektrischen Leiter
durch das Photovoltaikmodul 1 und die Oberflächen
A und B ist im Detail in 5 dargestellt, wobei die elektrische
Isolation 14 der Leiter 9a detailliert aufgezeigt wird.
Die Konstruktion kann so ausgeführt werden, dass die Fläche
B (nicht bestrahlte Seite) den Zugang zu den Kühlwasseranschlüssen 9b und
den elektrischen Kontakten 9a stellt. Die Verkapselung und
das Modul sind dabei in einer permanent abgeschatteten Region miteinander
befestigt, z. B. an der Unterseite des Wärmeüberträgers 13.
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Die 6 und 7 zeigen
detailliert Ausführungsformen der rechteckigen (6)
bzw. runden (7) Ausführungsformen
zu den Verkapselungen der Photovoltaikmodule, also den Bauteilen, die
das Photovoltaikmodul 1 und somit auch die Solarzellen 2 umschließen.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Solarzellen 2 hier
nicht gezeigt, sind aber gemäß den voranstehenden
Ausführungen ausgestaltet und in das Konzentratorsystem
integriert. Das Gehäuse 4 schützt die
Zellen vor der Umgebung und seiner Fremdstoffe. Das Verkapselungsgehäuse 4 kann
verschieden ausgeführt werden, z. B. als offene Birne,
Box oder Zylinder und ist mit dem Photovoltaikmodul 1 über
einen luftdichten Aufbau auf der Oberfläche B verbunden.
Der luftdichte Aufbau kann ein integrierter Teil des Moduls 1 sein
oder mit dem Modul 1 zusammen gelötet, geklebt
o. ä. werden. Er kann aber auch demontierbar sein, indem
die Teile mechanisch zusammengehalten (z. B. über Verschraubungen)
und über Dichtungen 15a und 15b (z. B.
Gummidichtung aus einem Elastomer) abgedichtet werden. Der Übergang
zwischen Gehäuse 4 und Modul 1 befindet
sich in dem gekühlten Bereich des Wärmeüberträgers;
daher ist keine zusätzliche Kühlung notwendig.
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Die
gesamte Verkapselung wird im Prinzip vom Gehäuse 4 und
einer transparenten Frontglasscheibe 16 oder Kuppel gebildet.
Der eingeschlossene Raum ist entweder evakuiert, mit Inertgas gefüllt (vorzugsweise
bei niedrigem Druck als Atmosphärendruck), luftgefüllt,
wobei die Luft aufbereitet ist (z. B. Trockenapparat), so dass die
Qualität ausreichend ist, um eine Degradation des Aufbaus
zu vermeiden, oder gasgefüllt (z. B. Stickstoff) und mit
einem Druckausgleichsgefäß ausgestattet, um den
Druckanstieg, der durch die Volumenausdehnung des Gases bei erhöhter
Temperatur entsteht (z. B. Ausdehnungsgefäß) auszugleichen.
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Das
Verkapselungsgehäuse 4 kann aus Metall gefertigt
sein.
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Die
Verkapselung erfüllt folgende Bedingungen:
- 1. Sie hat ausreichende mechanische Stabilität: Die
mechanische Festigkeit des Gehäuses ist so groß,
dass strukturelle Steifigkeit des Gehäuses äußeren
Kräften durch z. B. Wind von ca. 10 m/s und Bewegung durch
Nachführung des Konzentrators erhalten bleibt und das Gewicht
des Photovoltaikmoduls tragen kann.
- 2. Sie ist beständig gegen Solarstrahlung, die bis ungefähr
1000-fach konzentriert ist, ohne aktive Kühlung zu gewährleisten.
- 3. Sie hat gute Wärmeleitungseigenschaften (z. B. durch
Behandlung der absorbierenden Oberflächen (Erhöhung
der Reflexion, gute thermische Leitung) oder den Einsatz von Wärmeüberträgern),
dass die Wärme bei Fehljustierung oder Fehler/Ausfall der
Nachführung abgeführt werden kann.
- 4. Sie ist mit einer abmontierbaren, transparenten, flachen
oder abgerundeten Fensterplatte 16, z. B. aus Glas, ausgestattet,
durch das konzentrierte Strahlung auf die Solarzellen dringt.
- 5. Eine entsprechend abgeschattete Dichtung 15a, z.
B. aus Kunststoff, dient als Dichtung zwischen Fensterplatte und
Gehäuse.
- 6. Die Kunststoffdichtung 15a ist so angebracht, dass
die thermische Ausdehnung des Glasfensters ausgeglichen wird, während
das Gehäuse 4 weiterhin gasdicht geschlossen ist.
Durch die Dichtung 15a wird auch der Eintrag von Spannungen
durch mechanische Kräfte auf das Glas/Gehäuse
minimiert.
- 7. Die Kunststoffdichtung 15a ist durch den Kontakt
mit dem Gehäuse gekühlt.
- 8. Die Kunststoffdichtung 15a ist so positioniert, dass
sie nie konzentrierter Strahlung ausgesetzt ist (z. B. durch Abschattungselemente,
nicht dargestellt).
- 9. Das Gehäuse 4 ist so aufgebaut, dass die
Abschattung der Konzentratorspiegelfläche durch das Gehäuse 4 minimiert
ist.
- 10. Die Fensterplatte 16 hat zu den Solarzellen 2 einen
Abstand, so dass die Strahlungsintensität auf der Oberfläche
mindestens um den Faktor 2 oder mehr reduziert ist. Das bedeutet
die Glasfläche 16 hat mindestens die doppelte
Größe der gesamten Fläche der Solarzellen 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Díaz,
V., Pérez, J. M., Algora, C., Alonso, J. „Outdoor
characterisation of GaAs solar cell under tilted light for its encapsulation
inside optic concentrators” Isofoton (Spain), 17th European
Photovoltaic Solar Energy Conference, 2001, Deutschland [0003]
- - Dr. Stollwerck, G. „Kunststoffverkapselung für Solarmodule”,
Bayer Polymers AG, Leobener Symposium Polymeric solar materials,
Deutschland, 2003 [0003]
- - http://www.duran-group.com/english/products/duran/properties/physik.html [0008]