DE102009033771A1

DE102009033771A1 - Solarreflektor zur Leistungssteigerung von Photovoltaikanlagen und Verwendung eines solchen Solarreflektors

Info

Publication number: DE102009033771A1
Application number: DE102009033771A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schuenemann
Original assignee: Schuenemann Gerhard
Current assignee: Schuenemann Gerhard
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-04-07

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Solarreflektor zur Leistungssteigerung von Photovoltaikanlagen, der eine das Sonnenlicht auf die Photovoltaikpanele der Photovoltaikanlage reflektierende Spiegelfläche aufweist. Erfindungsgemäß ist die Spiegelfläche als Streuspiegelfläche ausgebildet, wobei die Streuspiegelfläche beispielsweise aus einer matten Aluminiumfläche (12) bestehen kann. Das hat den Vorteil, dass das auf die Streuspiegelfläche auftreffende Licht nicht gebündelt, sondern diffus reflektiert wird, so dass die gesamte, vom reflektierten Licht beschienene Fläche gleichmäßig ausgeleuchtet ist und so jede Photovoltaikzelle annähernd mit der gleichen Lichtintensität versorgt wird. Insbesondere bei niedrigem Sonnenstand,also im Winterhalbjahr sowie bereits kurz nach Sonnenaufgang und auch noch kurz vor Sonnenuntergang, d. h. wenn der Einfallswinkel des Sonnenlichts für ein flaches Dach ausgesprochen ungünstig ist, werden die Photovoltaikmodule durch die erfindungsgemäßen Solarreflektoren zusätzlich zur Direkteinstrahlung mit reflektiertem Sonnenlicht versorgt. Dadurch wird die effektive Stromausbeute pro Quadratmeter installierter Photovoltaikzelle deutlich erhöht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Solarreflektor zur Leistungssteigerung von Photovoltaikanlagen, der eine das Sonnenlicht auf die Photovoltaikpanele der Photovoltaikanlage reflektierende Spiegelfläche aufweist.
Die gegenwärtigen Entwicklungen zur Effizienzsteigerung von Photovoltaikanlagen sind sowohl auf die Verbesserung der einzelnen, das einfallende Licht in elektrischen Strom umwandelnden Photovoltaikzelle als auch auf die Konzentration des einfallenden Lichtes auf die Photovoltaikzellen gerichtet. Bei letztere Entwicklungsrichtung sind wiederum zwei Möglichkeiten erkennbar, zum einen die Herstellung von Photovoltaikmodulen mit integrierten Konzentratoren, die das auf der Fläche des Moduls einfallende Licht auf eine deutlich kleinere, mit Photovoltaikzellen bestückte Fläche reflektieren ( WO 2007/095892 A2 , WO 2007/111959 A2 , EP 1 852 919 , US 4,296,731 , US 4,301,321 ). Bei derartigen Modulen reduziert sich zwar die Anzahl hochwertiger Solarzellen je montierter, also beschienener Modulfläche, jedoch erfordern sie aufwändige Linsen- und/oder Reflektionssysteme, beispielsweise Fresnel-Spiegelelemente, Prismen u. dgl., und sind daher sehr teuer.
Deshalb besteht die andere, wegen des geringeren finanziellen Aufwandes auch häufiger praktizierte Möglichkeit der Leistungssteigerung von Photovoltaikanlagen darin, preisgünstigere Photovoltaikmodule auch auf solchen Flächen zu installieren, die nicht oder nicht lange einer direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, beispielsweise auf flachen nach Norden gerichteten Flachdächern.
Hierzu ist ein nicht nachgeführter Solarkonzentrator bekannt, der aus einem reflektierenden Material, bevorzugt aus Aluminium, besteht und wannenartig ausgebildet ist, so dass er eine ausreichende Eigensteifigkeit aufweist. Auf dem Boden der Wanne befinden sich die Photovoltaikzellen ( WO 95/06330 ). Der Nachteil dieser Anordnung besteht in ihrem hohen Aufwand, dadurch, dass die Fläche des Solarkonzentrators mehr als doppelt so groß ist wie die Fläche der Photovoltaikzellen. Damit wird natürlich der überwiegende Teil der Dachfläche von den Reflektorflächen bedeckt und steht nicht für die Photovoltaikzellen zur Verfügung. Außerdem bildet die Anordnung einen Verbund, d. h. Solarkonzentrator und Photovoltaikzellen sind immer als eine kompakte Einheit zu installieren. Durch die feste Installation ist also weder eine Anpassung an die jahreszeitlich geänderte Laufbahn der Sonne noch eine variable Anordnung der Solarreflektoren möglich, die eine energetisch effektive Ausnutzung des Lichteinfalls auf den der Sonnenstrahlung abgewandten Gebäudeteilen ermöglichen.
Schließlich ist ein steuerbarer Solarreflektor zur Leistungssteigerung und zum Schutz von flächigen Sonnenkollektoren bekannt, der aus einem L-förmigen schwenkbaren Träger mit einer reflektierenden Fläche besteht und auf der Basis astronomischer Daten so geführt wird, dass entsprechend des Sonnenstandes zusätzliche Strahlung auf den Kollektor reflektiert wird. Der Solarreflektor besteht vorteilhafterweise aus Aluminium mit einer polierten oder glatt gewalzten Oberfläche. Für Photovoltaikanlagen kommen silberbeschichtete Glasspiegel zum Einsatz ( EP 1 995 534 A1 ).
Der Ertrag der Sonnenkollektoren, mit denen Wärme oder Strom aus der Sonnenstrahlung gewonnen wird, hängt wesentlich von der Größe und der Lage der Kollektorflächen sowie der Jahreszeit ab. Durch das zusätzliche Aufbringen von reflektierter Sonnenstrahlung auf die Photovoltaikzellen ist bei Photovoltaikanlagen eine Leistungssteigerung auch ohne Vergrößerung der Kollektorflächen und bei ungünstigem Sonnenstand möglich. Auf diese Weise ist es aber auch möglich, Sonnenstrahlung auf Photovoltaikpanele zu reflektieren, die keiner oder nur kurze Zeit einer direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, so wie das bei den in der WO 2007/111959 A2 beschriebenen Prismenkonzentrator der Fall ist, allerdings nunmehr mit dem Vorteil, nicht die teuren Photovoltaikmodule mit integriertem Prismen-Reflektor installieren zu müssen. Nach wie vor besteht aber das Problem, die großen Photovoltaikflächen so gleichmäßig mit dem reflektierten Licht auszuleuchten, dass keine Leistungsverluste wegen ein oder mehrerer in geringerem Maße beleuchteter Flächenbereiche auftreten. Bekanntermaßen bestimmt die am schwächsten mit Licht versorgte Photovoltaikzelle der zu einem Modul in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen die Leistung des Moduls. Zur Lösung dieses Problems müssen die Reflektorflächen deutlich größer sein als die Photovoltaikmodule. Außerdem lässt es sich bei Reflektorspiegeln durch deren Bündelungswirkung nicht vermeiden, dass Bereiche mit hoher Lichtintensität auftreten, die jedoch aus den genannten Gründen nicht automatisch zu einer Leistungssteigerung der Photovoltaikanlage führen.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Der erfindungsgemäße Solarreflektor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass das auf ihn auftreffende Licht nicht gebündelt, sondern diffus reflektiert wird, so dass die gesamte, vom reflektierten Licht beschienene Fläche gleichmäßig ausgeleuchtet ist und so jede Photovoltaikzelle annähernd mit der gleichen Lichtintensität versorgt wird. Der erfindungsgemäße Solarreflektor wirkt hier also nicht als Solarkonzentrator, sondern als ein Streuspiegel, der das ankommende Licht auf die Fläche der Photovoltaikmodule gleichmäßig verteilt reflektiert. Somit besteht also nicht mehr das oben geschilderte Problem, dass einige Photovoltaikpanele stark und andere wiederum nicht so stark von reflektiertem Sonnenlicht getroffen werden. Dadurch liefert jedes Photovoltaikmodul eine dem tatsächlich zur Verfügung stehenden Licht adäquate Stromausbeute.
Insbesondere bei niedrigem Sonnenstand, also im Winterhalbjahr sowie bereits kurz nach Sonnenaufgang und auch noch kurz vor Sonnenuntergang, d. h. wenn der Einfallswinkel des Sonnenlichts für ein flaches Dach ausgesprochen ungünstig ist, werden die Photovoltaikmodule durch die erfindungsgemäßen Solarreflektoren zusätzlich zur Direkteinstrahlung mit reflektiertem Sonnenlicht versorgt. Dadurch wird die effektive Stromausbeute pro Quadratmeter installierter Photovoltaikzelle deutlich erhöht, so dass sich ihre Montage auch auf verhältnismäßig flach geneigten Dächern, deren Neigungswinkel im Bereich zwischen 3° und 20° liegt, wirtschaftlich rentiert.
Ein besonderer Vorteil besteht auch darin, dass die reflektierte Fläche bis zum Dreifachen größer ist als die Reflektorfläche. Dadurch kann die Reflektorfläche im Verhältnis zur Fläche der Photovoltaikpanele deutlich kleiner, nämlich bis hin zu einem Verhältnis von 1:3, gehalten werden, so dass sie optisch wenig stört, einen kleineren Schatten erzeugt und auch eine geringere Windlast bietet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Streuspiegelfläche aus einer matten Aluminiumfläche. Aluminiumtafeln sind mechanisch widerstandfähig, witterungsbeständig, einfach montierbar und preisgünstig.
Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Streuspiegelfläche aus einer angerauten Aluminiumfläche. Das Anrauen kann elektrolytisch oder auch mechanisch erfolgen.
Die Spiegelfläche kann jedoch auch auf jedem beliebigen anderen Material aufgebracht werden. Beispielsweise können aus einem Polymerwerkstoff bestehende Tafeln mit einer das Sonnenlicht diffus reflektierenden Oberfläche versehen werden. Auch Stahlblechtafeln, z. B. aus Edelstahl, deren Endbearbeitung eine matte Oberfläche liefert, können verwendet werden.
Eine bevorzugte vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Solarreflektors mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 3 besteht darin, dass dieser auf Dächern mit einer geringen Neigung installiert wird. Hierzu gehören z. B. Sattel- oder Pultdächer mit einer Neigung zwischen 3% und 20%. Bei auf solchen Flachdächern parallel zum Dach angeordneten, d. h. nicht aufgeständerten Photovoltaikpanelen ist der Einfallswinkel der Sonnestrahlen insbesondere bei niedrigem Sonnenstand, also im Winterhalbjahr bzw. kurz nach Sonnenaufgang und kurz vor Sonnenuntergang so ungünstig, dass die Energieausbeute verhältnismäßig gering ist. Erfindungsgemäße Solarreflektoren versorgen die Photovoltaikpanele zusätzlich mit reflektiertem Sonnenlicht, wodurch sich die Ausbeute an Solarenergie wesentlich erhöht.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Solarreflektor auf zumindest zeit- und/oder teilweise beschatteten Dachflächen, beispielsweise auf in Richtung Norden zeigenden Dächern angeordnet. Dadurch werden die dort installierten Photovoltaikpanele auch bei einem niedrigen Sonnenstand, also im Winterhalbjahr sowie bereits kurz nach Sonnenaufgang und auch noch kurz vor Sonnenuntergang, d. h. wenn die Dachfläche noch oder bereits schon im Schatten liegt, noch mit reflektiertem Sonnenlicht versorgt, so dass auch hier Solarstrom gewonnen werden kann, obwohl keine direkte Sonneneinstrahlung auf die Photovoltaikpanele auftrifft.
Nach einer bezüglich der beiden zuvor beschriebenen Verwendungen des Solarreflektors vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Solarreflektor fest installiert. Die Ausrichtung erfolgt entsprechend eines tiefen Sonnenstandes, d. h. ein in dieser Weise fest installierter Solarreflektor entfaltet sein größtes Reflektionsvermögen bei tief stehender Sonne, also wenn die Photovoltaikpanele bereits im Schatten liegen oder bei Süddächern ein sehr kleiner Einfallswinkel kaum noch eine Stromgewinnung ermöglicht. Unter Berücksichtigung des geringen Installationsaufwandes ist die so erzielte Leistungssteigerung der Photovoltaikanlage als optimal zu bezeichnen.
Eine höhere Energieausbeute wird dadurch erreicht, wenn der Solarreflektor beweglich installiert ist. Im einfachsten Fall kann das eine Höhen- und/oder Winkelverstellung in vertikaler Richtung sein. Der Solarkollektor kann dann der Höhe des Sonnenstandes nachgeführt werden. Dadurch wird immer ein optimaler Reflektionsgrad des Sonnenlichts erreicht.
Generell wird eine zusätzliche Leistungssteigerung von Photovoltaikanlagen dadurch erreicht, diese zusätzlich zu der natürlichen direkten Einstrahlung des Sonnenlichts zu jeder Zeit mit an den realen Sonnenstand angepassten reflektiertem Sonnenlicht zu versorgen, d. h. das reflektierte Sonnenlicht muss dann immer mit dem günstigsten Reflexionswinkels auf die Photovoltaikpanele auftreffen. Dazu muss der Solarreflektor sowohl im vertikalen Winkel als auch in der Ost-West-Horizontalen der Sonnenbahn nachgeführt werden, was wiederum mit höheren Kosten für die dazu erforderliche Technik verbunden ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
In der zugehörigen Zeichnung zeigen
1 das Schema der Lichteinstrahlungsverhältnisse der Sonne auf ein Norddach und
2 das Schema der Lichteinstrahlungsverhältnisse der Sonne auf ein Süddach.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 sind die Lichteinstrahlungsverhältnisse der Sonne im Winterhalbjahr auf eine Photovoltaikanlage mit Solarreflektor dargestellt, die auf einem in Richtung Norden zeigenden Dach eines Gebäudes installierte ist. Ein sich in Ost-West-Richtung erstreckendes Gebäude, von dem lediglich seine in Richtung Westen zeigende Giebelwand 1 dargestellt ist, weist ein flaches Satteldach 2 auf, dessen rechte Dachhälfte 3 nach Süden und dessen linke Dachhälfte 4 nach Norden gerichtet ist. Die Dachneigung beträgt ca. 10%. Während die rechte Dachhälfte 3 vollständig mit Photovoltaikpanelen 5 belegt ist, sind auf der linken, in Richtung Norden weisenden Dachhälfte 4 lediglich ca. drei Viertel der Dachfläche mit Photovoltaikpanelen 6 belegt. Im Winterhalbjahr steht die Sonne 7 auf der Nordhalbkugel der Erde verhältnismäßig niedrig. Ihr höchster Stand gegenüber dem Äquator im Süden beträgt am 21. Dezember lediglich noch 15° bis 16°. In 1 ist die im Süden stehende Sonne 7 in zwei unterschiedlich hohen Bahnen beispielhaft dargestellt. Man kann davon ausgehen, dass in unseren Breiten in der Zeit von Ende Oktober bis Ende Februar ein 15° geneigtes, nach Norden zeigendes Dach nicht mehr von Sonnenstrahlen erreicht wird, was dem unteren Sonnenstand entsprechen würde. In dieser Zeit würden also auf die auf der nördlichen Dachhälfte 4 installierten Photovoltaikpanele 6 keine Sonnenstrahlen 8 fallen. Deshalb wurde an der Nordwand des Gebäudes ein Solarreflektor 9 mittels eines Gestänges 10 höhen- und winkelverstellbar an einem Mast 11 befestigt. Der Solarreflektor 9 kann aber auch direkt auf dem Satteldach 2 installiert werden. An der dem Photovoltaikpanel 6 zugewandten Seite weist der Solarreflektor 9 eine mit einer matten Oberfläche versehene Aluminiumtafel 12 auf, die die Sonnenstrahlen 8 als diffuse Strahlung 13 auf das Photovoltaikpanel 6 reflektiert. Die Höhe der Aluminiumtafel 12 beträgt etwa die Hälfte der Länge des Photovoltaikpanels 6. Wie aus 1 ferner zu erkennen ist, beginnt die Aluminiumtafel 12 kurz unterhalb des Firsts des Satteldaches 2, wobei in der Praxis 20 bis 30 cm ausreichend sind. Da der Solarreflektor 9 höhenverstellbar an dem Mast 11 befestigt ist, kann er zusätzlich zu seiner Winkelverstellbarkeit entsprechend der Höhe des Sonnenstandes positioniert aber auch bei schlechter Witterung, beispielsweise Sturm, vollständig abgesenkt werden.
Wie aus dem Verlauf der reflektierten Sonnenstrahlen 13 ersichtlich ist, wird bei dem niedrigen Sonnenstand und der gezeigten Stellung des Solarreflektors 9 das untere Viertel des Photovoltaikpanels 6 nicht mehr mit reflektiertem Sonnenlicht versorgt. Durch eine stärkere Neigung des Solarreflektors 9 kann auch diese Fläche noch ausgeleuchtet werden.
2 zeigt die Lichteinstrahlungsverhältnisse der Sonne 7 ebenfalls im Winterhalbjahr auf eine Photovoltaikanlage mit Solarreflektor, die auf einem in Richtung Süden zeigenden Dach installierte wurde. Ein sich in Ost-West-Richtung erstreckendes Gebäude, von dem lediglich seine in Richtung Westen zeigende Giebelwand 21 dargestellt ist, weist ein flaches Pultdach 22 auf. Die Dachneigung beträgt ca. 5%. Auf dem Pultdach 22 ist eine Photovoltaikanlage 23 installiert. Auch bei diesem Beispiel wurde an der Nordwand des Gebäudes ein Solarreflektor 9 höhen- und winkelverstellbar installiert. Aufbau, Verstellbarkeit und Befestigung dieses Solarreflektors 9 gleichen dem aus 1, so dass entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszahlen versehen wurden. Im Unterschied zu dem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Solarreflektor 9 versorgt der in 2 dargestellte Solarreflektor 9 die Photovoltaikpanele 23 zusätzlich mit reflektiertem Sonnenlicht, wodurch insbesondere bei niedrigem Sonnenstand im Winterhalbjahr bzw. kurz nach Sonnenaufgang und kurz vor Sonnenuntergang bei der auf dem verhältnismäßig flachen Pultdach 22 installierten Photovoltaikanlage eine Leistungssteigerung erreicht wird.
Wie aus 2 ferner zu erkennen ist, ist die im Süden stehende Sonne 7 auch in diesem Beispiel in zwei unterschiedlich hohen Bahnen dargestellt. Von dem höheren Sonnenstand ausgehende Sonnenstrahlen 24 (als Doppellinie gezeichnet) treffen sowohl auf die Photovoltaikpanele 23 als auch auf den Solarreflektor 9, von dem wiederum Sonnenstrahlen 25 (gestrichelte Darstellung) auf die Photovoltaikpanele 23 reflektiert werden, wobei ca. drei Viertel deren Fläche von den reflektierten Sonnenstrahlen 25 beschienen wird.
Die Photovoltaikpanele 23 werden zwar auch bei niedrigem Sonnenstand noch direkt von Sonnenstrahlen 26 (als einfache Linie gezeichnet) erreicht, jedoch ist deren Einfallswinkel so klein, dass die Energieausbeute entsprechend gering ausfällt. Sie wird dadurch deutlich erhöht, dass die von dem Solarreflektor 9 reflektierten Sonnenstrahlen 27 (gestrichelte Darstellung) nahezu die gesamte Fläche der Photovoltaikpanele 23 bescheint.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Giebelwand
2: Satteldach
3: rechte Dachhälfte
4: linke Dachhälfte
5: Photovoltaikpanel
6: Photovoltaikpanel
7: Sonne
8: auftreffende Sonnenstrahlen
9: Solarreflektor
10: Gestänge
11: Mast
12: Aluminiumtafel
13: reflektierte Sonnenstrahlen
21: Giebelwand
22: Pultdach
23: Photovoltaikpanel
24: auftreffende Sonnenstrahlen
25: reflektierte Sonnenstrahlen
26: auftreffende Sonnenstrahlen
27: reflektierte Sonnenstrahlen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/095892 A2 [0002]
WO 2007/111959 A2 [0002, 0006]
EP 1852919 [0002]
US 4296731 [0002]
US 4301321 [0002]
WO 95/06330 [0004]
EP 1995534 A1 [0005]

Claims

Solarreflektor zur Leistungssteigerung von Photovoltaikanlagen, der eine das Sonnenlicht auf die Photovoltaikpanele der Photovoltaikanlage reflektierende Spiegelfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche als Streuspiegelfläche ausgebildet ist.
Solarreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuspiegelfläche aus einer matten Aluminiumfläche (12) besteht.
Solarreflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumfläche (12) angeraut ist.
Verwendung eines Solarreflektors zur Leistungssteigerung von Photovoltaikanlagen, der eine das Sonnenlicht auf die Photovoltaikpanele der Photovoltaikanlage reflektierende Spiegelfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Solarreflektor (9) gemäß der Ansprüche 1 bis 3 zur Leistungssteigerung von solchen Photovoltaikanlagen verwendet wird, die auf Dächern (2, 22) mit einer geringen Neigung installiert sind.
Verwendung eines Solarreflektors nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarreflektor (9) auf zumindest zeit- und/oder teilweise beschatteten Dachflächen (4) angeordnet ist.
Verwendung eines Solarreflektors nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarreflektor (9) entsprechend eines solchen tiefen Sonnenstandes feststehend angeordnet ist, bei dem direkte Sonnenstrahlen (8) gerade nicht mehr auf die Dachfläche (4) auftreffen.
Verwendung eines Solarreflektors nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarreflektor (9) vertikal, also in Höhe und/oder Winkel verstellbar montiert ist.
Verwendung eines Solarreflektors nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarreflektor (9) dem Stand der Sonne (7) nachführbar montiert ist.