DE102008037965A1 - Device for producing electrical energy from sunlight, has foil arrangements that are designed on ground, where foil arrangements have Fresnel lenses, transducer, conductor and volume-variable elements - Google Patents
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Abstract
Description
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Technologie zur kostengünstigen Produktion von Elektroenergie aus Sonnenlicht. Insbesondere zielt diese Erfindung auf die profitable Produktion von Solarstrom bei einem niedrigen Netzeinspeisepreis (möglichst unter $ 0,05/kWh), so daß ein beträchtlicher Anteil des Elektroenergiebedarfs von Deutschland und anderen Ländern erzeugt werden kann und das enorme Angebot billigsten ökologischen Stroms eine explosionsartige technologische Weiterentwicklung ermöglicht.aim The invention is the creation of a technology for low cost Production of electric energy from sunlight. In particular, this aims Invention on the profitable production of solar power at one low grid feed-in price (if possible below $ 0.05 / kWh), so that a considerable Share of electric energy demand generated by Germany and other countries can be and the enormous supply cheapest ecological electricity an explosive technological development allows.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
In den sonnenreichen Gegenden (z. B. Spanien, Sahara, Kalifornien) fallen durchschnittlich ca. 170 W/m2 Sonnenlicht. In vielen Wüsten und wüstenähnlichen Gegenden ist oft aufgrund geringer Bodenpreise der Landverbrauch und somit der Wirkungsgrad der Anlage nicht entscheidend, sondern die Kapitaldividende. Bei 10% Wirkungsgrad und einem Netzeinspeisepreis von z. B. $ 0,03/kWh können jährlich $ 4/m2 Einnahmen erzielt werden. Um die Elektroenergieproduktion aus Solarenergie für Investoren interessant zu machen, ist eine Kapitalverdopplung im ersten Jahr anzustreben (möglichst ohne Subventionen). Dementsprechend sollten Investitionen und Betriebskosten im ersten Jahr auch nur ca. maximal $ 4/m2 betragen. Gegenwärtig kosten Solarpanele auf Thermoelementbasis oder Photovoltaikbasis ca. $ 600/m2. Hinzu kommen Kosten für Wechselrichter und Transformatoren. Um ein angestrebtes Ziel von ca. $ 2/m2 zu erreichen, müßten die Kosten der Solarpanele also ca. um einen Faktor 300 reduziert werden.In the sunny regions (eg Spain, Sahara, California) an average of about 170 W / m 2 sunlight fall. In many deserts and desert-like areas, the land consumption and thus the efficiency of the plant is often not decisive because of low land prices, but the capital dividend. At 10% efficiency and a grid feed-in price of z. For example, $ 0.03 / kWh can generate $ 4 / m 2 in revenue each year. In order to make the electric energy production from solar energy interesting for investors, a capital doubling in the first year is to be striven for (if possible without subsidies). Accordingly, investments and operating costs in the first year should amount to a maximum of only $ 4 / m 2 . Currently, thermocouple-based solar panels or photovoltaic panels cost about $ 600 / m 2 . There are also costs for inverters and transformers. In order to reach a target of approx. $ 2 / m 2 , the cost of the solar panels would have to be reduced by a factor of about 300.
Andererseits sind haushaltsübliche Aluminiumfolien und Plastikfolien für unter $ 0,1/m2 erhältlich. Solche Aluminiumfolien würden ausreichen, 15 W/m2 Elektroenergie zu transportieren. Die Plastikfolien würden ausreichen, Spannungen von einigen 10 V zu isolieren. Spannungsdurchbrüche durch Materialfehler könnten eventuell sogar selbstheilend sein, da dünne Schichten von Aluminiumfolie leicht verdampfen. Ein Sandwich von einigen solchen Folien könnte schon eine beträchtliche mechanische Stabilität aufweisen. Die Frage ist, wäre es möglich, aus solchen oder ähnlichen billigen Folien und einer sehr geringen Menge an Hightech-Materialien direkt stromerzeugende Solarpanele mit ca. 10% Wirkungsgrad für $ 2/m2 herzustellen?On the other hand, household standard aluminum foils and plastic films are available for less than $ 0.1 / m 2 . Such aluminum foils would be sufficient to transport 15 W / m 2 of electrical energy. The plastic films would be sufficient to isolate voltages of a few 10V. Voltage breaches due to material defects could possibly even be self-healing, as thin layers of aluminum foil evaporate easily. A sandwich of some such films could already have considerable mechanical stability. The question is, it would be possible to produce from such or similar cheap films and a very small amount of high-tech materials directly electricity-generating solar panels with about 10% efficiency for $ 2 / m 2?
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of technology
Ein gegenwärtig sehr erfolgreiches Prinzip von Solarstromanlagen in sonnigen Gegenden (z. B. Kalifornien und Nevada) ist die Fokussierung von Sonnenlicht mittels ca. 100 m2 großer Parabolspiegel auf Stirlingmotoren mit ca. 30% Wirkungsrad, die jeweils einen Generator antreiben, dessen Strom direkt über Transformatoren in das Netz eingespeist werden kann. Alternativ werden gekühlte Hochleistungs-Photovoltaik-Elemente mit ebenfalls ca. 30% Wirkungsgrad verwendet (z. B. in Australien), deren Output allerdings durch einen Wechselrichter geleitet werden muß. Ein Nadelöhr bei beiden Technologien sind die sehr aufwendigen Spiegel. Z. B. werden bei nur 100 m2 Spiegelfläche typischerweise mehrere 1000 kg Material für den beweglichen Spiegelhalter aufgewendet, da dieser aufgrund der annähernd vertikalen Anordnung erhebliche Windlasten tragen können muß. Bei solch einem hohen Materialeinsatz ist dauerhaft mit hohen Kosten zu rechnen, welche nicht durch technische Weiterentwicklung weitestgehend eliminiert werden können.A currently very successful principle of solar power systems in sunny areas (eg California and Nevada) is the focus of sunlight by about 100 m 2 parabolic mirrors on Stirling engines with about 30% efficiency, each driving a generator whose electricity directly can be fed into the grid via transformers. Alternatively, refrigerated high-performance photovoltaic elements are also used with about 30% efficiency (eg in Australia), the output of which, however, must be passed through an inverter. A bottleneck in both technologies are the very elaborate mirrors. For example, with only 100 m 2 mirror surface typically several 1000 kg of material for the movable mirror holder expended, as this must be able to carry considerable wind loads due to the approximately vertical arrangement. With such a high use of material permanently high costs are to be expected, which can not be largely eliminated by technical advancements.
Bei 170 W/m2 Sonnenlicht, einer Landausnutzung von 80% und einer alternativen Technologie mit einem Gesamtwirkungsgrad von 10% würden ca. 13 MW/km2 erzeugt werden, d. h. für den annähernden gegenwärtigen Elektroenergie-Gesamtbedarf Deutschlands (ca. 60 GW) wären ca. 4600 km2 Fläche erforderlich (geeignete Speichermöglichkeiten vorausgesetzt).With 170 W / m 2 sunlight, 80% land use and an alternative technology with an overall efficiency of 10%, approximately 13 MW / km 2 would be generated, ie for the approximate present total electrical energy demand of Germany (approximately 60 GW) approx. 4600 km 2 area required (suitable storage facilities required).
Netzeinspeisepreise von sehr ökonomischen Kraftwerken mit nachhaltigen Technologien (z. B. von einigen sehr großen Wasserkraftwerken) liegen in Deutschland typischerweise um $ 0.08/kWh (verglichen mit oft über $ 0,6/kWh für herkömmliche Photovoltaikanlagen und mit typischerweise ca. $ 0,12/kWh für große Windkraftwerke).Netzeinspeisepreise of very economical power plants with sustainable technologies (eg from some very large hydropower plants) are typically around $ 0.08 / kWh in Germany (compared to often over $ 0.6 / kWh for conventional Photovoltaic systems and typically with about $ 0.12 / kWh for large wind power plants).
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Erfindungsgemäß bestehen die Solarpanele im Wesentlichen aus breiten, aber sehr dünnen Folienanordnungen, die einfach auf der Erde ausgebreitet und mit Haken, Nägeln, Zeltheringen oder ähnlichen Befestigungen (im Folgenden ”Haken” genannt) in der Erde befestigt werden. Diese Folienanordnungen enthalten integriert Fresnel-Linsen, Wandler des Sonnenlichtes in Elektroenergie und die elektrischen Leitungen zum Stromtransport zu Sammelleitern.According to the invention the solar panels essentially consist of wide but very thin foil arrangements, simply laid out on the ground and with hooks, nails, tent pegs or similar Fasteners (hereinafter referred to as "hooks") in to be attached to the earth. These foil arrangements contain integrated Fresnel lenses, transducers of sunlight in electric power and the electrical cables for power transport to busbars.
Erfindungsgemäß erfolgt die Nachjustierung der Wirkung der Fresnel-Linsen auf die winzigen Wandler bei Änderung des Sonnenstandes automatisch durch das Sonnenlicht selber, d. h. ohne eine externe Steuerung. Dazu enthalten die Folienanordnungen Kammern oder andere geeignete volumenveränderliche Elemente, die bei veränderlicher Sonnenbestrahlung ihre Form ändern und so die Geometrie der Folienanordnung auf eine gewünschte Weise verändern, so daß entweder (a) der Lichtfokus der Fresnel-Linsen auf den Wandlern bleibt bei Wanderung der Sonne im Laufe das Tages und im Laufe von Monaten (d. h. die Selbstjustierung ist im Wesentlichen eine Selbstfokussierung – siehe Ausführungsbeispiel 1) oder (b) bei Wanderung der Sonne im Laufe das Tages und im Laufe von Monaten jeweils nur überwiegend die im Lichtfokus oder in der Nähe des Lichtfokus befindlichen Wandler elektrisch angeschlossen werden (d. h. die Selbstjustierung besteht im Wesentlichen darin, daß die jeweils beleuchteten Teile elektrisch wirksam und die Wandler im unbeleuchteten Teil der Anordnung weitgehend unwirksam sind – siehe Ausführungsbeispiel 2). Die Kammern oder anderen geeigneten volumenveränderliche Elemente können z. B. aus Gasblasen in Plastikfolie oder zwischen zwei Metallschichten bestehen, die sich bei Erwärmung ausdehnen. Solche Hohlräume können z. B. durch Walzen von Profilen in Plastikfolien oder Metallfolien erzeugt werden oder durch Verwendung geschäumter Materialien hergestellt werden. Die Blasen dürfen allerdings nicht zu groß sein, um einen Wärmetransport nicht erheblich zu behindern.According to the invention, the readjustment of the effect of the Fresnel lenses on the tiny transducers takes place automatically when the sun's position changes due to the sunlight itself, ie without an external control. To this end, the foil assemblies contain chambers or other suitable variable volume elements that change shape as sunlight changes, thereby altering the geometry of the foil assembly in a desired manner so that either (a) the light focus of the Fresnel lenses remains on the transducers at walls the sun during the day and in the course of months (ie the self-adjustment is essentially a self-focusing - see embodiment 1) or (b) during migration of the sun during the day and in the course of months only predominantly in the light focus or In the vicinity of the light focus located transducers are electrically connected (ie, the self-adjustment consists essentially in that the respective illuminated parts are electrically effective and the transducers in the unlit part of the arrangement are largely ineffective - see Embodiment 2). The chambers or other suitable variable volume elements may, for. B. consist of gas bubbles in plastic or between two metal layers that expand when heated. Such cavities can, for. B. produced by rolling of profiles in plastic films or metal foils or produced by using foamed materials. However, the bubbles must not be too large, so as not to hinder a heat transfer significantly.
Dadurch entfallen teure bewegliche Parabolspiegel und andere teure und materialintensive optische Bauelemente, welche einen Hauptkostenfaktor in vielen modernen Solarkraftwerken darstellen. Durch eine große Zahl an annähernd gleichen Bauelementen mit sehr geringem Materialeinsatz sollten sich solche Kraftwerke zu sehr niedrigen Strompreisen entwickeln lassen.Thereby eliminates expensive moving parabolic mirrors and other expensive and material-intensive Optical components, which are a major factor in many modern Represent solar power plants. By a large number of approximately the same Components with very low material use should be such Develop power plants at very low electricity prices.
Die Fokussierung der Wirkung auf die Wandler kann in einer Dimension (bei streifenförmigen Wandlern) oder in zwei Dimensionen (z. B. bei annähernd punktförmigen Wandlern) erfolgen. Die Erfindung kann Anwendung finden zur preiswerten, nachhaltigen und ökologischen Elektroenergieerzeugung.The Focusing the effect on the transducer can be in one dimension (with strip-shaped converters) or in two dimensions (eg at nearly point-shaped transducers) respectively. The invention can be applied to inexpensive, sustainable and ecological Electric power generation.
Ausführungsbeispiel 1embodiment 1
-
Beispiel gemäß
1 (die Abbildung ist nicht maßstabsgetreu).Example according to1 (The illustration is not to scale).
Ein
Array von Fresnel-Linsen (
Bei einem Durchmesser der Fresnel-Linsen von z. B. 0,2 mm kann die Dicke (Höhe) dieser Folienanordnung z. B. 0,3 mm sein, so daß sehr wenig Material benötigt wird. Wenn z. B. je 5 × 5 Fresnel-Linsen zu je einem Array zusammengefaßt werden, dann werden nur winzige Folienstückchen (mit den Fresnel-Linsen) von ca. 1 mm Kantenlänge um einige 0,01 mm bewegt. Die Wandler haben dann z. B. einen Durchmesser von 0,01 mm, was einen hocheffektiven Wärmetransport zu darunter liegenden Schichten (z. B. 0,01 mm dicke Aluminiumfolie von ungefähr Haushaltsfolienqualität) ermöglicht und somit die Anwendung eines hohen Faktors der Lichtkonzentrierung und daher einen relativ geringen Anteil an teuren Hightech-Materialien.at a diameter of the Fresnel lenses of z. B. 0.2 mm, the thickness (Height) this film arrangement z. B. 0.3 mm, so that very little material is needed. If z. B. 5 × 5 each Fresnel lenses are combined into an array, then only tiny pieces of foil (with the Fresnel lenses) of about 1 mm edge length moved by a few 0.01 mm. The transducers then have z. Example, a diameter of 0.01 mm, which a highly effective heat transport to underlying layers (eg, 0.01 mm thick aluminum foil of about Household foil quality) allows and thus the application of a high factor of light concentration and therefore a relatively low proportion of expensive high-tech materials.
Solarpanele mit 10% Wirkungsgrad für $ 2/m2 könnten so eventuell nach einem sehr erheblichen Entwicklungsaufwand (v. a. für entsprechende Herstellungsverfahren mit Verwendung billiger Folien und von Walz- und Drucktechniken und eines hohen Konzentrierungsfaktors des Lichtes und möglicherweise mit Verwendung von Thermoelementen mit horizontalem Wärmegradienten) im sehr großen Maßstab (auf mehr als 100 km2) möglich werden.Solar panels with 10% efficiency for $ 2 / m 2 could thus possibly after a very considerable development effort (especially for corresponding manufacturing processes using cheap films and rolling and printing techniques and a high concentration factor of the light and possibly with the use of horizontal thermal gradient thermocouples) on a very large scale (over more than 100 km 2 ).
Nachteile dieses Ausführungsbeispiels sind jedoch, daß bei realistischer Präzision der Nachführung des Lichtfokus mit kostengünstigen Mitteln der Faktor der Lichtkonzentrierung nicht allzu hoch sein kann und die Mechanik noch recht kompliziert und somit potentiell störanfällig ist.disadvantage this embodiment are, however, that at realistic precision the tracking the light focus with cost-effective Means the factor of light concentration can not be too high and the mechanics are still quite complicated and thus potentially prone to failure.
Ausführungsbeispiel 2embodiment 2
-
Beispiel gemäß
2 und3 (die Abbildungen sind nicht maßstabsgetreu).Example according to2 and3 (The pictures are not to scale).
In
einem Array befinden sich jeweils Paare von Fresnel-Linsen (
Bei
den geringen thermoelektrisch erzielbaren Spannungen sind Übergangswiderstände kritisch.
Da damit zu rechnen ist, daß selbst
bei sorgfältiger
Produktion viele Kontakte versagen, werden die Wandler vorzugsweise
so verschaltet, daß viele
Kontakte problemlos versagen können.
Z. B. werden vorzugsweise Wandler parallel (zur besseren Toleranz gegen
Kontaktprobleme) geschaltet und diese Parallelschaltungen in Reihe
geschaltet (zur Spannungsakkumulation). Damit die Schicht (
In
diesem Ausführungsbeispiel
werden die Folienanordnungen mit volumenveränderlichen Elementen, Wandlern
und stromleitenden Folien als Bahnen ausgelegt (z. B. auf Berg-Südhängen). Die Bahnen enthalten
vorzugsweise schon Reihenschaltungen der Wandler oder von Arrays
von Wandlern, um eine höhere
Spannung zu erzeugen. Kleine Zwischenräume zwischen den Bahnen nehmen
Regen und Beschmutzungen auf. Der Strom der Bahnen wird direkt in
Sammel-Stromleitungen eingespeist und über Wechselrichter und Transformatoren
in das Netz eingespeist. Da sich solche Fresnel-Linsen (
Beschreibung
zu
Beispielsweise
hat eine 0,01 mm Aluminiumfolie pro m Breite einen Querschnitt von
10 mm2 und kann somit 50 A Strom transportieren.
Durch Zusammenschaltung von Wandlern lassen sich Spannungen um 100
V erzielen, die durch eine Plastikfolie von ungefähr Haushaltsfolienqualität isoliert
werden kann (z. B. akkumuliert sich die Spannung in
Durch
die enorm hohe Zahl gleicher oder fast gleicher Bauelemente würden Entwicklungskosten an
den Einzelkomponenten nur einen sehr geringen Beitrag pro Bahn bewirken.
Durch den sehr geringen Materialeinsatz ergeben sich für die meisten
Teilkomponenten enorme Einsparungsmöglichkeiten durch technische
Weiterentwicklung. Beispielsweise können die Fresnel-Linsen (
Die Fresnel-Linsen haben vorzugsweise ihre Strukturierung überwiegend auf der Unterseite und sind auf der Oberseite relativ glatter. Dadurch haftet Staub schlechter auf der Oberseite und der Fokus der Fresnel-Linsen hat bei schrägem Einfall eine bessere Qualität.The Fresnel lenses preferably have their structuring predominantly on the bottom and are relatively smoother on the top. Thereby Dust gets worse on the top and the focus of the Fresnel lenses has at an angle Idea a better quality.
Solarpanele mit 10% Wirkungsgrad für $ 2/m2 könnten nach einem erheblichen Entwicklungsaufwand (v. a. für entsprechende Herstellungsverfahren mit Verwendung billiger Folien und von Walztechniken) im sehr großen Maßstab (auf mehr als 100 km2) möglich werden.Solar panels with 10% efficiency for $ 2 / m 2 could be possible after a considerable development effort (especially for corresponding manufacturing processes using cheap foils and rolling techniques) on a very large scale (to more than 100 km 2 ).
In diesem Ausführungsbeispiel werden viele Parameter und Teilkomponenten sehr genau spezifiziert. Diese Spezifikationen sind jedoch nur als Beispiele für ein besseres Verständnis des Prinzips zu sehen und die technischen Parameter und die Wahl der Teilkomponenten können auch ganz anders ausfallen. Insbesondere können natürlich auch z. B. andere Geometrien der Fresnel-Linsen, Typen von Wandlern von Sonnenlicht in Elektroenergie, Gesamtgeometrien der Anlage, Leistungsdichten, Wandlerdichten, Wandlerverschaltungen, Spannungen, Ströme, Kabeltypen und Kabelanordnungen zur Anwendung kommen. Analoges gilt für das Ausführungsbeispiel 1.In this embodiment Many parameters and subcomponents are specified very precisely. However, these specifications are only examples of a better one understanding of the principle to see and the technical parameters and the choice of Subcomponents can also completely different. In particular, of course, z. B. other geometries Fresnel lenses, types of transducers from sunlight to electrical energy, Overall geometries of the system, power densities, converter densities, converter interconnections, Tensions, currents, Cable types and cable arrangements are used. The same applies for the embodiment 1.
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Cited By (2)
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WO2013150453A1 (en) * | 2012-04-03 | 2013-10-10 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Self-tracking solar concentrator |
US9206998B2 (en) | 2012-04-03 | 2015-12-08 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Self-tracking solar concentrator |
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