DE102008055871A1

DE102008055871A1 - Erhöhung des Wirkungsgrades von Solarmodulen

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Publication number: DE102008055871A1
Application number: DE102008055871A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-06

Abstract

An Solarmodulen kann durch bewegliche (drehbare) seitliche Spiegel der Ertrag gesteigert werden, ohne dass das (hier feste) Modul dazu (wie bei einem V-Trog) gekippt werden muss.

Description

Diese Erfindung betrifft die Erhöhung der Ausbeute von Solarmodulen (für Photovoltaik und Solarthermie) die die Sonnenstrahlung nutzen, speziell in Kombination mit Reflektoren oder Spiegeln.
Herkömmliche Solarmodule (sowohl für Photovoltaik, als auch für Solarthermie) verursachen hohe Anschaffungskosten (2008: ca. 500 Euro/m² bzw. ca. 4000 Euro/kWp). Zudem sind die Module der Witterung und Umweltereignissen (wie z. B. Hagel oder Verschmutzung) ausgesetzt.
Typischerweise wird die Größe der Anlagen eher durch das zur Verfügung stehende Kapital (Investitionssumme) als durch die verfügbare Installationsfläche begrenzt. Solange Photovoltaikanlagen finanziell gefördert werden und freie Flächen (z. B. Dächer) vorhanden sind, stellt das Investitionsvolumen den limitierenden Faktor dar. Zudem existieren nachgeführte Systeme bei denen das Modul zusammen mit fokussierenden Elementen passend zum Sonnenstand bewegt wird (z. B. s. g. V-Trog mit zwei ebenen Spiegeln). Der Nachteil dabei ist die notwendige Bewegung des Solarmoduls. Dadurch ist ein unnötiger Abstand zur Befestigungsebene (z. B. Dachfläche) notwendig, was den Bewegungsaufwand erhöht, optisch ungewünscht ist und/oder die Stabilität (speziell bei Sturm) negativ beeinflusst.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Erweiterung für Solarmodule vorzustellen, die deren Wirkungsgrad steigert. Dazu werden bewegliche Spiegel/Reflektoren (drehbar) nahe (bzw. anliegend an) den (hier fest montierten) Solarmodulen verwendet. Es ist eine weitere Aufgabe das Solarmodul vor der Umwelt zu schützen.
Diese Aufgaben werden durch die in den Patentansprüchen spezifizierten Merkmale gelöst.
Kurzbeschreibung der Abbildungen:
1a) zeigt zwei Reflektoren R an einem Solarmodul S mit Anstellwinkeln von w = 60° und senkrechtem Lichteinfall (Sonnenstand α = 0°),
1b) zeigt die unveränderte Vorrichtung aus 1a) bei α = 30° und daher nicht optimalem Anstellwinkeln von w = 60°,
2a) zeigt die Konstruktion aus 1a und 1b) mit jeweils optimalem Winkel der beiden Reflektoren für einen Sonnenstand α = 45° und horizontal liegendem Solarmodul S,
2b) zeigt die Konstruktion aus 2a) mit einem Solarmodul S an einem geneigten Dach.
Die Erfindung wird nun detailliert beschrieben.
Die vorliegende Erfindung entspricht zur Mittagssonne (α = 0°) einem V-Trog, jedoch mit festem Solarmodul und beweglichen (drehbaren) Spiegeln. Die Drehachse der Spiegel liegt nahe (d. h. z. B. maximal 10% der Modulbreite entfernt bzw. direkt an) jeweils einer seitlichen Begrenzung des Moduls und liegt ebenfalls nahe an einer seitlichen Begrenzung des jeweiligen Spiegels. Die Drehachsen der beiden Spiegel sind typischerweise (nicht zwingend) parallel.
Die Spiegel werden so nachgeführt, dass der Anstellwinkel des Spiegels w stets optimal ist, d. h. keine Verschattung durch die Spiegel auftritt und eine vollständige Ausleuchtung des Solarmoduls mit Reflektionslicht erreicht wird. Im einfachsten Fall (bevorzugte Ausführungsform) bilden das Solarmodul und die beiden Spiegel jeweils ein Rechteck und die beiden Spiegel haben jeweils die Größe des Solarmoduls (a = 1).
Um die Fremd-Verschattung anderer Solarmodule zu verhindern, sollte ein Freiraum zwischen den verschiedenen Modulen berücksichtigt werden, der in der herkömmlichen Anordnung nicht notwendig bzw. vorteilhaft ist.
Die Erfindung hat folgende Vorteile:
Die Spiegel bzw. Reflektoren können auch als Schutz (z. B. Wetterschutz, Hagel) im zusammengeklappten Zustand dienen. Dabei bedecken die beweglichen Flächen das Solarmodul (≡).
Es sind leichte (wenig Gewicht, da z. B. dünnes Blech), billige (kaum kostenintensiv), nachrüstbare (das eigentliche Solarmodul bleibt nahezu gleich) und ebene (z. B. keine Parabolspiegel) Spiegel möglich.
Das Modul kann unverändert bleiben, abgesehen von eventuellen vorbereiteten Befestigungspunkten für die Reflektorelemente (inkl. Bewegungsvorrichtung).
Die Bewegung bzw. Nachführung der Spiegel bzw. Reflektoren kann z. B. über ein Schneckenradgetriebe realisiert werden, wobei das Schneckenrad fest mit dem jeweiligen Spiegel bzw. Reflektor verbunden ist.
Idealisierter Tagesertrag E bei 180° Sonnenscheindauer (als Winkel) und einer Spitzenleistung (Wp) von 1 (normiert) für Solarmodule gleicher Fläche A und einer Siegelfläche die jeweils A (also a = 1):

1: herkömmliches Modul ohne Reflektor, fest: E = 115 (herkömmlicher Standardfall),
2: herkömmliches Modul ohne Refl., nachgeführt: E = 180 (Integral 1 über 180°),
3: Modul mit 2 Spiegeln (a = 1, w = 60°) entspricht V-Trog, fest: E = 113,
4: Modul mit 2 Spiegeln (a = 1, w = 60°) entspricht V-Trog, nachgef.: E = 360 (= 2 × 180),
5: Modul mit 2 Spiegeln (a = 1, w = optimal, d. h. erfindungsgemäß): E = 280. (optimaler Winkel, a = 1: z. B. w₁ = 60° + 2 × α/3, w₂ = 60° – 2 × α/3)

Der optimale Winkel ergibt sich, wenn ein Lichtstrahl der an der Außenseite (die der Drehachse abgewandten Seite) des Spiegels reflektiert wird dadurch genau an dem Rand des Solarmoduls auftrifft, der der jeweiligen Drehachse gegenüberliegt (also am weitesten davon entfernt ist) – so wie in allen Abbildungen (1a, 1b, 2a, 2b) zu sehen. Damit soll eine homogene Ausleuchtung des Solarmoduls erreicht werden. Der optimale Anstellwinkel w der seitlichen Spiegel ist typischerweise für jeden Spiegel einzelnen (d. h. separat) zu ermitteln bzw. einzustellen: w(links) ist unabhängig von w(rechts).
Die Fälle aus der vorherigen Aufzählung (1 ... 5) zeigen, dass der Ertrag E im Fall 5: bezogen auf den herkömmlicher Standardfall 1: mehr als verdoppelt ist. Wenn es nun gelingt zwei ebene (plan) Spiegel mit den Abmessungen des Solarmoduls zu fertigen (inkl. einer Bewegungsvorrichtung) und dabei die Gesamtkosten nicht zu verdoppeln, dann ist der Gesamt-Ertrag pro Euro gesteigert worden. Ein Spiegel kann ein Reflektor, ein Blech, ein diffuser Reflektor oder eine idealer Spiegel sein.
Die Anstellwinkel w werden zwischen Spiegel und Solarmodulebene (z. B. Dachfläche oder Horizontalebene) gemessen, wobei w = 0° einer vollständigen Öffnung entspricht und w = 180° einer totalen Verdeckung des Solarmoduls durch den jeweiligen Spiegel. Während eines Tages verhalten sich demnach für zwei gegenüberliegende Spiegel die jeweils optimalen Anstellwinkel gegenläufig. Es gibt meist einen sonnennäheren und einen sonnenferneren Spiegel (Abstand Spiegelmitte zur Strahlenquelle).
Im Fall von zwei seitlichen Spiegeln, gibt es meist eine Mittellinie innerhalb der Solarmodulebene, die mittig zwischen den beiden Drehachsen der zwei Spiegel liegt, d. h. auch durch das Zentrum des Solarmoduls verläuft.
In der bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Sonne in einer Ebene (Sonnenebene), die durch diese Mittellinie verläuft und ein Winkel zwischen Solarmodulebene und Sonnenebene dem Einfallswinkel α der Sonnenstrahlung entspricht (der Winkel wird typischerweise aus der Blickrichtung der Mittellinie, bei Projektion auf die Betrachtungsebene, gemessen, d. h. Mittagssonne bei α = 0°).
Nun werden ausgewählte Stellungen (optimale Arbeitswinkel/Anstellwinkel der Spiegel) bzw. Zeitpunkte erläutert:

1. (α = 0°, 1a) die Sonne steht senkrecht bzw. höchstmöglich über der horizontalen Anordnung: beide Anstellwinkel w₁ = w₂ = 60°;
2. (α = 45°, 2a) die Sonne steht schräg über der Anordnung: w₁ = 90° oder w₂ = 90° (α = –45°);

Nun werden ausgewählte Situationen (Schutzmodus) beschrieben, in denen der eingestellte Anstellwinkel nicht dem optimalen Anstellwinkel entspricht (z. B. Sturm, Hagel, Nacht) [Winkelangaben sind Optimalwerte und können auch Näherungen sein]:

1. Bei starkem Wind oder Sturm wird w = 0° (vollständigen Öffnung um der Strömung keine Angriffsfläche zu bieten – herkömmliche Solarenergienutzung weiterhin möglich) oder w = 180° (Bedeckung des Solarmoduls – vollständiger Schutz mit Verdunkelung);
2. Bei Hagel, Sandsturm, Niederschlag mit hohem Versputzungsanteil oder nachts in Regionen mit hohem Schwebstoffanteil (der die Solarmodule kontinuierlich langsam verschmutzt bzw. zerkratzt) ist die Bedeckung bzw. Verdeckung des Solarmoduls (w = 180°), d. h. der vollständiger Schutz von Spiegel und Modul, ein angenehmer Nebeneffekt der Erfindung.

Natürlich muss ein solcher verdeckender Schutz (Schild bei w = 180°) kein Spiegel sein, jedoch bietet sich bei der vorliegenden Erfindung das Ausnutzen dieser Zusatzfunktion des Spiegels an.
Eine weitere Möglichkeit den Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule zu steigern ist die Absenkung der Modultemperatur. Diese kann durch einen Wasserspeicher (für z. B. Regenwasser, z. B. zwischen Dach und Modul) wie ein poröses Material (z. B. Schwamm) oder ein offener Tank erreicht werden, da die Verdunstungswärme dann dem Modul entzogen wird.
Ein Wasserfilm von nur 10 mm Dicke (A = 1 m²) benötigt eine Verdampfungswärme von 10 kg × (2256 kJ/kg + 80 K × 4.2 kJ/kg/K) = 25920 kJ, d. h. (bei 1 kW Solarkonstante) dass die Wärme durch Sonnenstrahlung über 7 Stunden lang vollständig über Verdunstungskühlung abgeführt werden könnte. Wenn der Tank voll ist hat man also einen Vorteil, bei leerem Tank keinen Nachteil (gegenüber Ausführungsformen ohne Tank/Speicher).

Claims

Ein vorzugsweise unbewegliches Solarmodul für Photovoltaik oder Solarthermie mit mindestens einem, vorzugsweise zwei ebenen Spiegeln, die um jeweils eine eigene Drehachse gedreht werden können, wobei die Drehachse nahe (d. h. maximal 10% der Solarmodulabmessung a) an einem seitlichen Rand des Solarmoduls liegt und vorzugsweise alle Drehachsen parallel zueinander verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die seitlichen Abmessungen und Form des Spiegels der Abmessung und Form des Solarmoduls entsprechen, d. h. dass sie deckungsgleich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Anstellwinkel der seitlichen Spiegel jeweils so durch eine Bewegungsvorrichtung eingestellt bzw. nachgeführt wird, dass durch das reflektierte Licht eine möglichst homogene und vollständige Ausleuchtung der wirksamen Fläche des Solarmoduls erreicht wird und vorzugsweise bei Bedarf ein Schutzmodus eingestellt wird.