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Die
Erfindung betrifft eine Solaranlage in der Ausgestaltung einer Photovoltaikanlage
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Unter
Solartechnik versteht man die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie
der Sonne (oder auch Solarenergie) in nutzbare Energieformen. Dabei
gliedert sich das Spektrum der Solartechnik in verschiedene Teilgebiete
auf, wobei danach unterschieden wird, ob aus der Sonnenstrahlung
Wärme oder elektrische Energie gewonnen wird.
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Mit
Hilfe von Solarkollektoren wird bei einer Solaranlage ein Wärmeträger
wie z. B. Wasser durch die Sonnenenergie erwärmt und dem
Anwender in Form von Warmwasser bereitgestellt oder einer Energiewandlung
zu nutzbarem Strom zugeführt. Im Gegensatz dazu wird bei
einer Photovoltaikanlage die Strahlungsenergie der Sonne direkt über
die Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt, die dem Nutzer
als Solarstrom zur Verfügung steht.
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Entscheidend
für den wirtschaftlichen Betrieb einer solchen Anlage sind
neben dem Standort weitere Faktoren, wie beispielsweise die Größe
der sonnenbeaufschlagten Fläche sowie die Qualität
der Ausrichtung der beaufschlagten Fläche in Richtung Sonne.
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Um
die Größe der sonnenbeaufschlagten Fläche
effizienter zu gestalten, sind in den letzten Jahren diverse Solaranlagen
entwickelt worden, die mehr Sonnenlicht gebündelt auf ein
Photovoltaikelement aufbringen. Eine optische Einrichtung, wie beispielsweise
eine Strahlung konzentrierende Fresnel-Linse, die wesentlich breiter
als das Photovoltaikelement ist, wird dabei vor das Photovoltaikelement gebracht,
so dass dieses mit einer höheren Strahlenkonzentration
beaufschlagt wird. Dadurch kann diese Solaranlage im Vergleich zu
Anlagen, die nur der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt sind aufgrund der
besseren Nutzung der Größe der sonnenbeaufschlagten
Fläche eine wesentlich größere Menge
an Sonnenlicht einfangen, mehr Energie erzeugen und trotz geringerer
Größe der Photovoltaikelemente den gleichen Ertrag
an Energie liefern wie eine vergleichbare Anlage, bei der die Energiewandleranordnung die
Größe der optischen Einheit aufweist.
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Eine
derartige Solaranlage wird beispielsweise in der
DE 20 2007 016 715 U1 gezeigt,
in der Fresnel-Linsen die von der Sonne einfallende Strahlung auf
eine Brennlinie bündeln. Diese sehr energiereiche Brennlinie
ist in der Lage, eine Flüssigkeit, die in einem Rohr verläuft,
zu erwärmen bzw. eine Photovoltaikzelle zu beaufschlagen,
so dass eine Energiewandlung in nutzbare Energie stattfindet. Dabei erweist
sich die Fresnel-Linse als besonders effiziente Möglichkeit,
die einfallenden Sonnenstrahlen auf einen gemeinsamen Punkt oder
eine gemeinsame Brennlinie zu fokussieren, da jedes einzelne Prisma individuell
angepasst werden kann und die Fresnel-Linse im Vergleich zu einer
herkömmlichen Linse sowohl Volumen als auch Gewicht einspart,
was zu einer vereinfachten Nachführung genutzt werden kann.
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Um
die Ausrichtung der beaufschlagten Fläche in Richtung Sonne
effizienter zu gestalten, sind in den letzten Jahren neben den starr
mit dem Untergrund verbundenen Anlagen diverse Solaranlagen entwickelt
worden, die sich kontinuierlich an den Sonnenstand anpassen. Der
einschlägige Stand der Technik zeigt beispielsweise Konzentratorsolarsysteme,
welche, um teure Flächenkosten von Solarmodulen zu sparen,
das einfallende Sonnenlicht durch eine vorgeschaltete Optik auf
eine kleine Fläche konzentrieren. Um stets einen optimalen
Wirkungsgrad der Anlage zu gewährleisten, wird die Solaranlage dem
Sonnenstand in der Art nachgeführt, dass im Brennpunkt
ständig ein bestmöglichster Wirkungsgrad sichergestellt
ist.
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Zusammengefasst
gilt, dass auf das Photovoltaikelement einer nicht fokussierenden
Photovoltaikanlage neben der direkten Strahlung auch zusätzlich
diffuse Strahlung trifft. Diese Anlagen müssen nicht nachgeführt
werden oder kommen mit geringer Nachführpräzision
aus, weshalb die Aufständerungskosten minimiert werden.
Um eine vorgegebene Nennleistung der Anlage zu erhalten wird im Vergleich
zu fokussierenden Anlagen eine größere Fläche
an Photovoltaikelementen benötigt, was einen hohen Aufwand
an teueren Solarmodulen bedeutet.
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Im
Vergleich dazu benötigt eine fokussierende Photovoltaikanlage
weniger Solarmodulfläche, da mehr Strahlung auf ein kleineres
Photovoltaikelement fällt, was die Effizienz der Anlage
steigert. Die Nachteile des fokussierenden Systems sind eine eingeschränkte
Nutzung von diffuser Strahlung, eine zusätzliche teure
Kühlung und ein aufwändiges Nachführsystem
mit in der Regel hoher Nachführpräzision.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile
zu minimieren und eine Solaranlage der genannten Art zu stellen,
deren Photovoltaikelement gegenüber dem Stand der Technik wirtschaftlicher
zu betreiben ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Photovoltaikanlage
mit einer Energiewandleranordnung und einer optischen Einrichtung
so ausgestattet ist, dass ein Teil der gerichteten Sonnenstrahlung
durch die optische Einrichtung hindurch auf die Energiewandleranordnung
geleitet wird. Zusätzlich ist die optische Einrichtung
in der Art ausgebildet oder in Bezug auf die Strahlungsquelle in
der Art angeordnet, dass ein weiterer Teil der gerichteten Sonnenstrahlung
ein unmittelbares Auftreffen auf die Energiewandleranordnung ermöglicht.
Transmissionsverluste der optischen Einrichtung sind auf diese Weise
minimiert. Die somit von der Strahlungsquelle unmittelbar, d. h.
transmissionsverlustfrei und ohne Ablenkung, im Strahlengang des Photovoltaikelements
auf eine Wirkfläche der Energiewandleranordnung treffende
Strahlung, trifft zusätzlich zu den von der optischen Einrichtung
auf die Energiewandleranordnung geleiteten Strahlen auf das Photovoltaikelement,
so dass eine größere Strahlenmenge der Erzeugung
nutzbarer Energie dient. Insbesondere kann die optische Einrichtung auch
so ausgestaltet werden, dass ein Teil der diffusen Globalstrahlung
unmittelbar auf die Energiewandleranordnung trifft.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die optische Einrichtung
aus mindestens einem ersten Abschnitt und mindestens einem zweiten
Abschnitt besteht. Dabei erlaubt der erste Abschnitt eine direkte
und unmittelbare Strahlung einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter.
Dieser transmissionsfreie erste Abschnitt kann unmittelbar neben
einem zweiten Abschnitt angeordnet sein, um eine besonders einfache
sowie platzsparende Beaufschlagung des Photovoltaikelements mit
Sonnenstrahlen zu ermöglichen. Alternativ kann der erste Abschnitt
auch zwischen zweiten Ab schnitten angeordnet sein, so dass eine
besonders große Menge an Sonnenstrahlen auf das Photovoltaikelement
gebracht werden kann. Darüber hinaus ist es auch möglich,
mehrere erste Abschnitte zwischen mehreren zweiten Abschnitten anzuordnen,
um eine besonders große bzw. effiziente Anlage zu erschaffen.
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Vorzugsweise
ist der zweite Abschnitt der optischen Einrichtung als eine optische
Strahlenablenkungseinrichtung ausgebildet. Eine optische Strahlenablenkungseinrichtung
ermöglicht eine Vielzahl von Querschnittsstrukturen, die
das einfallende Licht in vorgegebene Richtungen ablenken.
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Vorteilhafterweise
ist dabei die optische Strahlenablenkungseinrichtung aus zumindest
einem Prisma hergestellt. Durch geeignete Ausgestaltung der Prismen
hinsichtlich Größe, Anordnung und Querschnitt
kann die optische Strahlenablenkungseinrichtung optimal auf die
zur Verwendung ausgewählte Energiewandleranordnung abgestimmt
werden. Die auftreffenden Strahlen können einfach umgelenkt
werden, d. h. das parallel auf die optische Strahlenablenkungseinrichtung
auftreffende Strahlung umgelenkt werden, wonach sie immer noch parallel
verlaufen. Diese Auswahl ist vorteilhaft, wenn eine Energiewandleranordnung
verwendet wird, die groß genug ist und auch bei geringer
Strahlungskonzentration wirtschaftlich betreibbar ist. Darüber
hinaus ermöglichen die Prismen der Strahlenablenkungseinrichtung
auch das Fokussieren bzw. Streuen der einfallenden Strahlen. Neben
Prismen sind auch linsenförmige optische Strahlenablenkungseinrichtungen
möglich, da diese einen Sonderfall aus einer Vielzahl kleiner
segmentartig angeordneter Prismen bilden. Auf diese Weise kann bei
verschiedenen räumlichen Verhältnissen und vorgegebenem
Aufwand für eine Nachführung der Photovoltaikanlage ein
optimaler Wirkungsgrad der jeweils verwendeten Energiewandleranordnung
sicher gestellt werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
die Strahlenablenkungseinrichtung aus einer Fresnel-Prismenstruktur
gebildet. Diese besondere Querschnittsstruktur der optischen Einrichtung
ermöglicht einen besonders platz- und gewichtssparenden
Aufbau der Solaranlage. Alternativ kann der Querschnitt auch in
einer Fresnel-Linsenstruktur aufgebaut sein, wodurch eine besonders fokussierende
bzw. streuende Eigenschaft der optischen Einrichtung erzielt wird.
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Vorzugsweise
liegt der Bereich, in dem die optische Einrichtung die Energiewandleranordnung mit
Sonnenstrahlen beaufschlagt, zwischen 1,1- und bis zu 30-facher
Fokussierung. Bei einfacher Fokussierung ist die Querschnittsfläche
der optischen Einrichtung im Wesentlichen gleich groß mit
der Querschnittsfläche der Energiewandleranordnung und
die Strahlenablenkung verläuft im Wesentlichen parallel. Je
höher der Fokussierungsgrad wird, desto kleiner kann die
Querschnittsfläche der Energiewandleranordnung im Vergleich
zur Querschnittsfläche der optischen Einrichtung gebildet
sein, so dass bei beispielsweise 30-facher Fokussierung die einfallenden Sonnenstrahlen
auf einer Energiewandleranordnung auftreffen, deren Fläche
nur ein 30-stel der optischen Einrichtung entspricht. In einem Spezialfall
kann auch mit einer negativen Fokussierung gearbeitet werden, die
einer Streuung entspricht. Dabei wird das einfallende Lichtbündel
von einer kleineren optischen Einrichtung auf eine relativ größere
Energiewandleranordnung gestreut.
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Vorteilhafterweise
ist die Energiewandleranordnung in der Art ausgebildet, dass sie
auf die Fokussierung der optischen Einrichtung abgestimmt ist. Sowohl
die Dotierung als auch die Kühlung einer Energiewandleranordnung,
die zwischen 1,1 und bis zu 30-fach mit Strahlen beaufschlagten
Energiewandleranordnung, müssen auf den Konzentrationsgrad der
optischen Einrichtung angepasst werden.
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Eine
besonders einfache Herstellung der optischen Einrichtung ergibt
sich, wenn diese aus einem Kunststoff-Extruder-Profil hergestellt
ist, wodurch eine besonders einfache Gestaltung der Fresnel-prismenartigen
Querschnittsfläche der optischen Einrichtung möglich
wird. Diese besonders leichte und folienartige optische Einrichtung
kann in einer besonderen Ausführungsform der Photovoltaikanlage
auf eine durchlässige Trägereinheit, beispielsweise
aus Glas, aufgebracht werden, wodurch ein besonders einfacher, leichter
und kostengünstiger Aufbau der optischen Einheit erzielt
wird. In einer vorteilhaften Variante der Fresnel-Optik werden die
Fresnel-Prismen derart gestaltet, dass der optische Strahldurchgang
durch ein jedes Prisma im Wesentlichen symmetrisch ist. Damit wird
eine wesentlich verringerte Winkelabhängigkeit des Strahlgangs
vom Anstellwinkel der Optik erreicht. Durch die geringere Anforderung
an die Nachführgenauigkeit können wiederum die
Systemkosten minimiert werden.
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Durch
eine Nachführung der Photovoltaikanlage nach dem Sonnenverlauf,
wird ein besonders guter Wirkungsgrad der Energieerzeugung erreicht. Dabei
wird die Neigung der optischen Einrichtung in der Art dem Sonnenverlauf
angepasst, dass auf der Energiewandleranordnung jederzeit ein Maximum
an Sonnenbeaufschlagung herrscht.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsform der Photovoltaikanlage wird die
Energiewandleranordnung mehrteilig ausgebildet. Durch die mindestens zweiteilige
Energiewandleranordnung wird eine segmentartige Energiewandleranordnung
ermöglicht, deren Wirkfläche der optischen Einrichtung
zugewandt ist. Besonders erwähnenswert ist dabei die Ausgestaltung
in zweiteiliger Ausführung, bei der die Querschnittsfläche
der Energiewandleranordnung ein spitz nach oben zeigendes Dreieck
bildet, sowie eine dreiteilige Ausbildung, deren Querschnittsfläche eine
mittige waagerecht verlaufende Wirkfläche und daran anschließend
beidseitig schräg nach unten verlaufende Wirkfläche
aufweist.
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Aufgrund
von verringerter Reflexion erzielt die Energiewandleranordnung einen
höchstmöglichen Wirkungsgrad, wenn die Wirkfläche
der Energiewandleranordnung im Wesentlichen lotrecht zur auftreffenden
Strahlung angebracht ist. Da, in Abhängigkeit von der optischen
Einrichtung und deren Fokussierungsgrad eine genaue lotrechte Anordnung der
Wirkfläche auf alle Strahlen nicht möglich ist,
wird die Wirkfläche auf Grundlage eines Mittelwertes des jeweiligen
Strahlenbündels ausgerichtet. Ein Sonderfall der Energiewandleranordnung
sieht vor, dass für jeden auftreffenden Strahl eine lotrechte
Wirkfläche zur Verfügung steht, so dass eine im
Wesentlichen kreisrunde Wirkfläche der Energiewandleranordnung entsteht.
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Gemäß einer
Variante der Erfindung wird die Photovoltaikanlage einachsig dem
Sonnenstand nachgeführt. Dabei neigt sich die rotatorische
Nachführbewegung der Photovoltaikanlage um die Längsachse
der sich longitudinal erstreckenden Anlage. Vorteilhafterweise verläuft
diese Achse im Wesentlichen in Nord-Süd-Richtung, so dass
die rotatorische Nachführbewegung den Sonnenstand vom Morgen in östlicher
Richtung bis zum Abend in westlicher Richtung begleiten kann.
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Eine
starre Verbindung der Energiewandleranordnung mit der optischen
Einrichtung mittels eines Führungskörpers ermöglicht
ein synchrones Schwenken der beiden Elemente um einen gemeinsamen
Drehpunkt. Dadurch wird die Nachführbewegung sowohl auf
die optische Einrichtung wie auch auf die Energiewandleranordnung übertragen,
so dass die Lagepositionen zwischen optischer Einrichtung und Energiewandleranordnung
während der Nachführbewegung konstant zueinander
bleiben.
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An
einem Drehpunkt werden die Führungskörper an starr
mit dem Boden verbundenen Stützen befestigt, welche die
Photovoltaikanlage tragen und stabilisieren. Befindet sich an diesem
Drehpunkt ein Antrieb, der sowohl elektrisch als auch hydraulisch betätigt
sein kann, der eine Nachführbewegung auf die Führungskörper überträgt,
ist eine besonders einfache und synchrone Nachführung der
Photovoltaikanlagen möglich.
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Durch
die Anordnung des Drehpunktes auf Höhe der optischen Einrichtung,
vorzugsweise am Befestigungspunkt zwischen optischer Einrichtung und
Führungskörper, wird eine besonders einfache Nachführbewegung
ermöglicht. Darüber hinaus trägt dieser
Aufbau der Solaranlage zur Symmetrie der Anlage bei, wodurch die
Anlage aufgrund des Gleichgewichtes besonders einfach nachzuführen
ist.
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Durch
eine Befestigung des Drehpunktes an einem starren Pfosten wird die
Solaranlage besonders einfach zum Boden hin beabstandet, wobei die Säule
auf einem Fundament steht und Höhendifferenzen des Unterbodens
in Längsrichtung der Photovoltaikanlage ausgleicht.
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Gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel liegt der Drehpunkt an
einem der optischen Einrichtung abgewandtem Ende des Führungskörpers unterhalb
der Energiewandleranordnung. Das vorzugsweise überstehende
Ende des Führungskörpers stellt somit einen Drehpunkt
dar, der besonders geeignet ist, auf einem mit dem Untergrund verbundenen
Bock gelagert zu werden. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil,
besonders hohe Gewichtskräfte einer schweren Photovoltaikanlage
tragen zu können.
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Gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel erfolgt die Nachführbewegung
der optischen Einheit linear und unabhängig von der Energiewandleranordnung,
wodurch die Energiewandleranordnung mit direkten Sonnenstrahlen
und mit Sonnenstrahlen der optischen Einrichtung beaufschlagt wird,
wobei die Strahlenablenkungseinrichtung der optischen Einrichtung
stets dem Sonnenstand nachgeführt ist, so dass die Wirkfläche
der Energiewandleranordnung mit einem Optimum an Sonnenstrahlen
beaufschlagt wird. Die dabei starr mit dem Untergrund verbundene Unterkonstruktion
der Energiewandleranordnung verläuft im Wesentlichen in
ihrer Längserstreckung von Osten nach Westen. Dadurch ist
es möglich, die geneigte Wirkfläche der Energiewandleranordnung nach
Süden auszurichten, wobei der Neigungswinkel der Energiewandleranordnung
auf einen optimalen Mittelwert des Sonnenverlaufs über
die Jahreszeit eingestellt ist. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung,
die nicht weiter dargestellt ist, sieht vor, den Neigungswinkel
der Energiewandleranordnung auch in der Art nachzuführen,
dass dieser an den aktuellen Sonnenstand angepasst wird, unabhängig
von Jahreszeit oder Uhrzeit.
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Vorteilhafterweise
ist es einer Solaranlage der oben beschriebenen Art möglich,
sowohl elektrische als auch thermische Energie über die
Energiewandleranordnung zu gewinnen und einem nutzbaren System zuzuführen.
Der Aufbau der Energiewandleranordnung richtet sich demzufolge nach
der zu erzeugenden Energieform.
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Die
Energiewandleranordnungen und die optischen Einrichtungen der Solaranlage
werden in Längs- und Querrichtung der Anlage besonders
stabil getragen, wenn eine Seilanordnung zwischen Querträgern
gespannt ist, vorzugsweise nach dem Jawerth Seilbinderprinzip. Über
eine solche Seilanordnung erfolgt die Nachführbewegung
besonders einfach.
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Nachstehend
werden anhand schematischer Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Gesamtansicht einer Photovoltaikanlagenanordnung
gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Photovoltaikanlage gemäß einer
ersten Ausführungsform in 0°-Stellung;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Photovoltaikanlage gemäß einer
ersten Ausführungsform in maximaler Schwenkstellung;
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4 einen
Querschnitt der Photovoltaikanlage gemäß einer
ersten Ausführungsform in 0°-Stellung;
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5 einen
Querschnitt der Photovoltaikanlage gemäß einer
ersten Ausführungsform in maximaler Schwenkstellung;
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6 eine
Seitenansicht einer Photovoltaikanlage gemäß einer
ersten Ausführungsform in 0°-Stellung;
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7 eine
perspektivische Ansicht einer Photovoltaikanlage gemäß einer
zweiten Ausführungsform; und
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8 einen
Querschnitt der Photovoltaikanlage gemäß einer
zweiten Ausführungsform in maximaler Schwenkstellung; und
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9 eine
perspektivische Ansicht einer Photovoltaikanlage gemäß einer
dritten Ausführungsform.
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Im
Folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Photovoltaikanlage beschrieben. Der allgemein gültige Aufbau
der Photovoltaikanlage, bestehend aus einer optischen Einrichtung
und einer Energiewandleranordnung wird anhand einer ersten Ausführungsform
beschrieben. Darüber hinausgehende Merkmale sowie vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung werden in den weiteren Ausführungsformen beschrieben,
wobei auf weitere Erläuterungen zu bereits aus der ersten
Ausführungsform bekannten Merkmalen verzichtet wird.
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1 zeigt
ein Feld von Photovoltaikanlagen 1, die im Wesentlichen
parallel zueinander angeordnet sind. Dabei setzt sich jeder Strang
aus linear hintereinander angeordneten Photovoltaikanlagen 1 zusammen,
wobei eine Längsachse LAE die Ausrichtung in Nord-Süd-Richtung
definiert. Um ein Höchstmaß an Sonnenenergie in
elektrische Energie umwandeln zu können, werden die Photovoltaikanlagen 1 synchron
zueinander dem Sonnenstand nachgeführt. Dies beginnt in
den Morgenstunden im Osten, wobei die Photovoltaikanlage ihre maximale Schwenkstellung
in Richtung Osten einnimmt, führt über die Mittagszeit
zu einer 0°-Stellung über, in der die Photovoltaikanlage 1 nach
dem Sonnenstand im Zenit angeordnet ist, und führt die
Photovoltaikanlage in ihre maximale Schwenkstellung in Richtung Westen
zur untergehenden Sonne am Abend hin. Dabei werden die einzelnen
Photovoltaikanlagen im Wesentlichen synchron zueinander nachgeführt. 1 zeigt
ein Feld von Photovoltaikanlagen in drei möglichen Positionen
der Nachführung im Verlauf des Tages.
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Die
in 2 dargestellte Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen
Photovoltaikanlage 1 zeigt die optische Einheit 2 sowie
die Energiewandleranordnung, die in diesem Beispiel als Photovoltaikelement 4 ausgebildet
ist. Die optische Einheit 2 ist mittels eines Führungskörpers 6 mit
dem Photovoltaikelement 4 starr verbunden. Die beweglichen
Teile 2, 4, 6 werden mittels eines Querträgers
drehbar um einen Drehpunkt D an einem Gestell 10 befestigt,
wobei ein Antriebselement, hier als Elektromotor ausgeführt, die
Nachführbewegung über einen Lagerzapfen L auf den
Querträger 8 überträgt.
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3 zeigt
ebenfalls ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei die Photovoltaikanlage 1 in
maximaler Schwenkstellung dargestellt ist. Diese Nachführung
eignet sich, um die Sonnenstrahlen möglichst lotrecht auf
die optische Einrichtung 2 zu lenken, so dass diese einen
höchstmöglichen Wirkungsgrad auf der Wirkfläche
der Photovoltaikelemente 4 erzielen, woraus ein Höchstmaß an
Energie erzeugt wird. Neben den Sonnenstrahlen, die über
die optische Einrichtung 2 auf das Photovoltaikelement 4 gelangen,
zeigt die 3 einen weiteren Bereich, der es
direkt einfallenden Sonnenstrahlen ermöglicht, ohne Strahlablenkung
auf das Photovoltaikelement zu gelangen.
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Der
in 4 gezeigte Querschnitt einer Photovoltaikanlage
zeigt den Aufbau sowie die Funktion der Erfindung. Dabei weißt
die Photovoltaikanlage 1 eine optische Strahlenablenkungseinrichtung 2,
die zwischen einer Strahlungsquelle bzw. einem Strahlungstransmitter,
der in diesem Ausführungsbeispiel der Sonne entspricht,
und einer Energiewandleranordnung 4, die in diesem Ausführungsbeispiel
einem Photovoltaikelement entspricht, angeordnet ist, auf. Die starr
miteinander verbundene optische Strahlenablenkungseinrichtung 2 und
das Photovoltaikelement 4 werden über einen gemeinsamen
Drehpunkt D dem Sonnenstand in der Art nachgeführt, dass
auf den Wirkflächen der Photovoltaikelemente 4 das
jeweils höchst mögliche Maß an Strahlungsenergie herrscht.
Dazu wird die optische Strahlenablenkungseinrichtung 2 aus
einer Fresnel-Prismenstruktur aufgebaut, wodurch Sonnenstrahlen,
die aufgrund der Entfernung zur Sonne im Wesentlichen parallel zueinander
auf die optische Einrichtung treffen, von den Fresnel-Prismen abgelenkt
werden; so dass die gesamte Querschnittsbreite der optischen Strahlenablenkungseinrichtung
auf die zugehörige Wirkfläche eines Photovoltaikelements 4 konzentriert
wird. Zusätzlich zu dieser Strahlung ermöglicht
ein weiteren Bereich der optischen Einrichtung eine direkte Strahlung
der Strahlungsquelle auf das Photovoltaikelement 4, ohne
dabei abgelenkt zu werden, so dass zwei Arten bestehend aus abgelenkten
und nicht abgelenkten Strahlen des direkten Sonnenlichts, auf die Wirkfläche
der Photovoltaikelemente 4 treffen. Ein besonders hoher
Wirkungsgrad der Photovoltaikelemente 4 wird ermöglicht,
wenn die Wirkfläche der Photovoltaikelemente 4 in
der Art geneigt ist, dass sie ein Maximum an Strahlungsenergie aus
den Strahlen der Strahlenablenkungseinrichtung sowie gleichzeitig
der Strahlen aus dem direkten Sonnenlicht aufnehmen kann.
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Die
im Folgenden als Strahlen aus einem ersten Abschnitt bezeichneten
Strahlen, in der 4 gestrichelt dargestellt, entsprechen
einer unmittelbaren Strahlung der Strahlungsquelle auf das Photovoltaikelement 4 ohne
abgelenkt zu werden, so dass eine im Wesentlichen transmissionsfreie
Strahlung entsteht. Im Gegensatz dazu wird die Strahlung durch einen
zweiten Abschnitt der optischen Einrichtung 2, mit durchgehendem
Strich dargestellt, in der Art abgelenkt, dass die Strahlung auf
der gleichen Wirkfläche der Photovoltaikelemente 4 fokussiert auftritt.
Wie aus der 4 ersichtlich ist, wird der
erste Abschnitt der optischen Einrichtung 2 so breit ausgeführt,
dass durch den ersten Abschnitt direkt hindurchtretende Strahlen
auf die gesamte Wirkfläche der Photovoltaikelemente 4 treffen.
Der zweite Abschnitt der optischen Einrichtung 2 erstreckt
sich über eine wesentlich größere Strecke,
so dass er ein Vielfaches an Sonnenstrahlen, die ansonsten ohne
Wirkung neben der Photovoltaikanlage 1 auftreffen würden,
zusätzlich auf das Photovoltaikelement 4 ablenkt.
So entsteht auf den Wirkflächen der Photovoltaikelemente 4 ein
Maximum an Strahlungsenergie, die sich zusammensetzt aus den Strahlen
eines ersten Abschnitts und den Strahlen eines zweiten Abschnitts,
was zu einer höheren Effizienz der Photovoltaikelemente 4 und
somit zu einer höheren Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage 1 führt.
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Insgesamt
sind drei Möglichkeiten der Konzentration sowie der Gestaltung
von optischer Einrichtung 2 und Photovoltaikelement 4 möglich:
Konzentration < 2: Bei einem Konzentrationswert
unter 2 ist die Fläche der Photovoltaikelemente 2 größer ausgeführt
im Vergleich zu der Fläche der optischen Strahlablenkungseinrichtung 2.
Ein Faktor 1,5 bedeutet somit, dass die Fläche der optischen
Strahlablenkungseinrichtung 2 nur halb so groß ist
wie das Photovoltaikelement 4, wodurch sich eine 1-fache Strahlung
durch die direkt auftreffenden Sonnenstrahlen addiert mit einer
0,5-fachen Strahlung der optischen Strahlablenkungseinrichtung 2.
Da die Stahlen der optischen Strahlablenkungseinrichtung 2 vorzugsweise
auf das gesamte Photovoltaikelement 4 verteilt werden,
werden die Stahlen ausgehend von der optischen Strahlablenkungseinrichtung 2 gestreut.
Konzentration
= 2: Die Fläche der Photovoltaikelemente 2 ist
gleich groß wie die Fläche der optischen Strahlablenkungseinrichtung 2.
Daraus ergibt sich eine 2fache Konzentration der Photovoltaikanlage 1 bestehend
aus 1-facher direkter Sonneneinstrahlung und 1facher abgelenkte
Sonnenstrahlung. In diesem Fall werden die parallel auf die Strahlablenkungseinrichtung 2 treffenden
Sonnenstrahlen auch parallel zueinander auf das Photovoltaikelement 4 umgelenkt.
Konzentration > 2: Eine Konzentration
größer Faktor 2 bedeutet, dass die optische Strahlablenkungseinrichtung 2 im
Verhältnis größer als das Photovoltaikelement
ausgeführt ist. Ist die Fläche der Strahlablenkungseinrichtung 2 beispielsweise
10-mal so groß wie die Fläche des Photovoltaikelements 4,
ergibt sich daraus eine 11-fache Konzentration des Photovoltaikelements
bestehend aus 10-fach fokussierender Strahlung durch die Strahlablenkungseinrichtung 2 und
darüber hinaus einfacher Strahlung durch die unmittelbar
auftreffende Strahlung. Zur Abführung der bei einer hohen
Dotierung auftretenden Wärmeenergie werden bei Anlagen
mit höherer Strahlung Kühlelemente an den Photovoltaikelementen 4 angebracht.
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5 zeigt
einen Querschnitt der Photovoltaikanlage 1 in maximaler
Schwenkstellung, wobei die Oberfläche der optischen Einrichtung 2 in
der Art der Sonnenstellung ausgerichtet ist, dass auf die optische
Einrichtung 2 treffende Sonnenstrahlen im Wesentlichen
lotrecht zur Oberfläche der optischen Einrichtung 2 stehen.
Dazu werden die drehbaren Teile der Photovoltaikanlage 1,
bestehend aus der optischen Einrichtung 2, der Photovoltaikelemente 4, dem
Führungskörper 6, dem Querträger 8 sowie
weiteren Befestigungselementen, um einen gemeinsamen Drehpunkt D
dem Sonnenstand nachgeführt. Das dabei als Lagerpunkt dienende
Gestell 10 ist starr mit dem Untergrund verbunden und dient
der Beabstandung der drehbaren Teile vom Boden.
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Die
in 6 dargestellte Seitenansicht einer Photovoltaikanlage 1 in
0°-Stellung zeigt den wesentlichen Aufbau in Längserstreckung.
Dabei ist die optische Einrichtung 2 mittels eines Führungskörpers 6 starr
mit dem Photovoltaikelement 4 verbunden, so dass sich diese
synchron zueinander um einen gemeinsamen Drehpunkt D drehen, welcher
sich um einen Lagerzapfen zwischen dem Querträger 8 und dem
Gestell 10 um die Nachführbewegung neigt. Darüber
hinaus ist es aus 6 ersichtlich, dass die drehbaren
Teile (2, 4, 6, 8) von Stabilisationselementen
getragen werden. Dazu werden die optischen Elemente 2 von
einer Art Rohrkonstruktion gehalten, die ihrerseits an dem Querträger 8 befestigt
sind und dessen Nachführbewegung sowohl auf die optische Einrichtung 2 als
auch über die Führungskörper 6 auf die
Photovoltaikelemente 4 übertragen. Die Erstreckung
der Photovoltaikanlage in Längsrichtung erfolgt über
das Aneinanderreihen mehrerer Einheiten, bestehend aus optischer
Einrichtung 2 und Photovoltaikelement 4, die über
einen Führungskörper 6 miteinander verbunden
sind, der nicht nur die Nachführbewegung überträgt
sondern auch zur Stabilisierung beiträgt. Diese Einheiten
werden ihrerseits zwischen Querträgern 8 geführt,
die auf einem Gestell 10 lagern. Die so abgefangenen Gewichtskräfte
der drehbaren Teile ermöglichen eine Erstreckung der Photovoltaikanlage
in ihrer Längsrichtung in nahezu unbeschränkter
Länge. Zur Unterstützung der Nachführbewegung
eines Motors 12 um einen gemeinsamen Drehpunkt D ist es
möglich, an jedem der hier als Pfosten 10 ausgeführten
Gestelle einen weiteren synchron angesteuerten Motor 12 anzukoppeln.
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Ausführungsbeispiel
2 zeigt eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage 20,
die nach einem ähnlichen Prinzip wie aus Ausführungsbeispiel
1 nachgeführt ist. Wie aus der perspektivischen Ansicht
der Photovoltaikanlage 20 in 7 und 8 ersichtlich, ist
die optische Einrichtung 22 starr mit dem Photovoltaikelement 24 verbunden,
wodurch eine synchrone Nachführung beider Elemente erzielt
wird. Durch die Ausgestaltung des Führungskörpers 26 in
der Art, dass dieser an einem Ende, das der optischen Einrichtung 22 abgewandt
ist, den Drehpunkt D zur Nachführung aufweist, ermöglicht
die Befestigung auf einer Wippe 28, die starr mit dem Untergrund
verbunden ist. Dieser Aufbau ermöglicht eine besonders stabile
Ausführung der Photovoltaikanlage 20, um beispielsweise
sehr große optische Elemente 22 sowie Photovoltaikelemente 24 nachführen
zu können. Darüber hinaus ist auch eine Ausgestaltung
der Photovoltaikelemente 24 mit Kühleinheit möglich,
da die hierbei auftretenden zusätzlichen Gewichtskräfte
der Kühleinheit über den besonders stabilen Aufbau
des zweiten Ausführungsbeispiels getragen werden. Ein weiteres
Anwendungsbeispiel für eine Photovoltaikanlage 20 nach
dem zweiten Ausführungsbeispiel ergibt sich beim Einsatz
einer besonders schweren optischen Einrichtung 22. Wird
die Strahlenablenkungseinrichtung der optischen Einrichtung 22 aus
einem schweren Material, wie beispielsweise Glas hergestellt, oder
wird die optische Einrichtung 22 aus einer Strahlenablenkungseinrichtung
mit einem großen Querschnitt, wie beispielsweise einem
Prisma, hergestellt, kann dieser Typ von Photovoltaikanlage 20 die
Gewichtskräfte aufnehmen.
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Die
Strahlenführung sowie die Nachführung der Photovoltaikanlage 20 erfolgt
wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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9 zeigt
eine Photovoltaikanlage 30 nach einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Im Gegensatz zu den vorhergegangenen Beispielen ist das
starr mit dem Untergrund verbundene Photovoltaikelement 32 in
seiner Längserstreckung LAE in Ost-West-Richtung ausgerichtet.
Dabei nimmt die Wirkfläche des Photovoltaikelements 32 einen
Neigungswinkel zur Erdoberfläche ein, der eine möglichst
effiziente Energiegewinnung ermöglicht, indem der Neigungswinkel
der Wirkoberfläche auf einem durchschnittlichen Mittelwert
des Sonnenverlaufs über die Jahreszeiten hinweg eingestellt
ist. In einer weiteren nicht näher ausgeführten
Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels ist es möglich,
den Neigungswinkel der Wirkfläche, z. B. durch eine lineare Nachführung,
an den aktuellen Sonnenverlauf anzupassen. Die optische Einrichtung 34 dieser
Ausführungsform ist derart angeordnet, dass sie ein zusätzliches
Spektrum an Strahlungsenergie auf das Photovoltaikelement 32 lenkt
und darüber hinaus es der Sonnenstrahlung ermöglicht,
direkt und somit ohne Ablenkung auf das Photovoltaikelement 32 zu
gelangen. Durch die Ausgestaltung der optischen Einrichtung in Art
einer Strahlenablenkungseinrichtung nach den vorangegangenen Ausführungsformen 1 und 2 ist
es darüber hinaus möglich, die optische Einrichtung 34 in
der Art einteilig auszuführen, dass diese einstückig
ausgebildet ist, wobei der Bereich der optischen Einrichtung 34 die
Strahlenablenkung ermöglicht und in Richtung Photovoltaikelement
einen zweiten Abschnitt definiert, durch den Sonnenstrahlen ungehindert
auf das Photovoltaikelement 32 treffen können.
Die Nachführung der optischen Strahlenablenkungseinrichtung
der dritten Ausführungsform sieht insbesondere eine lineare
Nachführung vor, die beispielsweise durch einen hydraulischen
Antrieb erfolgen kann. Dabei wird die optische Einrichtung 34 linear
in der Art bewegt, dass der sich im Tagesverlauf ändernde
Einstrahlwinkel auf das Photovoltaikelement 32 ausgeglichen
wird. Vorzugsweise wird dies ermöglicht, indem die optische
Einrichtung 34 variabel in senkrechter Richtung veränderbar
angeordnet ist. In dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Photovoltaikanlage 30 ist es somit möglich, die Sonnenstrahlen
auf das Photovoltaikelement 32 nachzuführen, wobei
das Photovoltaikelement 32 starr angeordnet ist. Dies ermöglicht
einen besonders stabilen Aufbau der Photovoltaikelemente 32 bzw.
sehr große Photovoltaikelemente 32, aber auch Photovoltaikelemente 32,
die mit einer schweren oder aufwendigen Kühlung ausgestattet
sind.
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Selbständiger
Gegenstand ist darüber hinaus auch eine separat angeordnete
Nachführung der dritten Ausführungsform, bestehend
aus einer optischen Einrichtung 34 zum Ablenken von Strahlen auf ein
Photovoltaikelement 32, die vorzugsweise linear zur Sonne
hin nachgeführt wird. Diese Nachführbewegung kann
beispielsweise von einem hydraulischen Antrieb erfolgen, der die
optische Einrichtung 34 an einem seitlich angebrachten
Pfosten zum Boden hin beabstandet, stabilisiert und führt.
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Die
Erfindung schafft auf diese Weise eine besonders wirtschaftlich
zu betreibende Solaranlage 1, 20, 30 mit
aneinander gereihten optischen Einrichtungen 2,22, 34,
durch die Strahlung auf eine Energiewandleranordnung 4, 24, 32 gelenkt
wird und die darüber hinaus einen Bereich aufweist, der
eine unmittelbare Strahlung auf die Energiewandleranordnung 4, 24, 32 erlaubt.
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Vorstehend
wurden Solaranlagen beschrieben, die eine sich linear erstreckende
Energiewandleranordnung mit Sonnenstrahlen beaufschlagen. Darüber
hinaus ist es mit oben beschriebenen Anlagen möglich, die
optische Einrichtung in der Art zu gestalten, dass die Sonnenstrahlen
konzentrisch auf eine zentral angebrachte Energiewandleranordnung treffen.
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- 1
- Photovoltaikanlage
nach einer ersten Ausführungsform
- 2
- optische
Einrichtung
- 4
- Photovoltaikelement
- 6
- Führungskörper
- 8
- Querträger
- 10
- Gestell
- 12
- Antrieb
- 20
- Photovoltaikanlage
nach einer zweiten Ausführungsform
- 22
- optische
Einrichtung
- 24
- Photovoltaikelement
- 26
- Führungskörper
- 28
- Wippe
- 30
- Photovoltaikanlage
nach einer dritten Ausführungsform
- 32
- Photovoltaikelement
- 34
- optische
Einrichtung
- 36
- Führungskörper
- L
- Lagerzapfen
- D
- Drehpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202007016715
U1 [0006]