DE102009037083A1

DE102009037083A1 - Photovoltaik-Vorrichtung mit mindestens einer Spiegelvorrichtung

Info

Publication number: DE102009037083A1
Application number: DE102009037083A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. Markert; Mona Dr. Blumenstengel
Original assignee: BAYERISCHE SOLAR AG
Current assignee: BAYERISCHE SOLAR AG
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung mit mindestens einer Solarzelle und mindestens einem der Solarzelle zugeordneten optischen Element zum Bündeln der einfallenden Sonnenstrahlung auf die Fläche der Solarzelle, die kleiner als eine Lichteintrittsfläche des optischen Elements ist, das zur Nachführung an den Sonnenstand unabhängig von der Solarzelle bewegbar ist. Das optische Element umfasst eine Vielzahl von Spiegeln, die jeweils mindestens eine verspiegelte Fläche aufweisen und um mindestens eine erste Drehachse drehbar sind. Dum Steuern der Drehung der Spiegel um die ersten Drehachsen. Auch betrifft die Erfindung eine Solaranlage mit mehreren solchen Photovoltaik-Vorrichtungen und ein Verfahren zur Nachführung der einzelnen Spiegel an den Sonnenstand.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1, wie sie aus dem Dokument DE 103 20 663 A1 bekannt ist.
Solarenergie lässt sich durch Solarzellen direkt in elektrische Energie umwandeln. Je nach Materialdicke, werden Solarzellen in Dickschicht- und Dünnschichtsolarzellen unterteilt. Sehr häufig werden Solarzellen auf Siliziumbasis verwendet. Die Solarzellen auf Siliziumbasis können aber nur ein begrenztes Frequenzspektrum der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrischen Strom umwandeln.
Einen sehr großen Wirkungsgrad von bis zu 41,1% bei der Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrischen Strom wird derzeit mit Solarzellen aus Halbleiterverbindungen erzielt. Dabei werden insbesondere III-V-Halbleiterverbindungen wie z. B. GalliumArsenid (GaAs) verwendet. Solche Solarzellen werden häufig als Mehrfachsolarzellen ausgebildet, die mehreren aufgestapelten Einzelzellen mit unterschiedlichen Bandlücken aufweisen. Dadurch können Mehrfachsolarzellen ein breiteres Frequenzspektrum der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln.
Wie aus dem Dokument DE 103 20 663 A1 bekannt ist, wird sehr kostenintensive Halbleiterfläche eingespart, indem die einfallende Sonnenstrahlung auf eine sehr kleine Fläche von z. B. unter einigen hundert Quadratmillimetern konzentriert wird. Nur für diese kleine Fläche ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz wird dabei bedeutend reduziert. Zum Schutz der Solarzellen vor äußeren Einflüssen werden die Solarzellen in ein geschlossenes Gehäuse aus transparentem Material eingebaut.
Die einfallende Sonnenstrahlung wird dabei mittels optischer Elemente jeweils auf das 100- bis 1000fache auf die kleine Fläche einer zugeordneten Mikrosolarzelle konzentriert. Unter einer Mikrosolarzelle wird eine Solarzelle mit einer Fläche von unter einigen hundert Quadratmillimetern verstanden.
Bekanntlich sinkt der Wirkungsgrad von Solarzellen mit einer Erhöhung ihrer Temperatur ab. Bei solchen hohen Konzentrationen der einfallenden Sonnenstrahlung erhöht sich stark die Arbeitstemperatur der Solarzellen wegen der großen Wärmemengen, die während des Betriebs der Solarzellen oder wegen der auf die Solarzellen oder in derer Umgebung einfallenden Wärmestrahlung entstehen. Die Anbringungsart der Mikrosolarzellen führt zu Problemen bei der notwendigen Wärmeabführung nach außen, da trotz vorhandenen Kühlkörper um jede Solarzelle, die entstehende Wärme in dem geschlossenen Gehäuse in nachteiliger Weise gefangen bleibt.
Um die einfallende Sonnenstrahlung auf die zugeordneten Mikrosolarzellen unabhängig vom Sonnenstand bündeln zu können, werden die darin verwendeten optischen Elemente unabhängig von den Mikrosolarzellen und von dem umgebenden Gehäuse an den Sonnenstand nachgeführt. Dabei werden die optischen Elemente derart an den Sonnenstand nachgeführt, dass ihre optischen Achsen jeweils in etwa auf den Verbindungslinien zwischen den zugeordneten Mikrosolarzellen und der Sonne zu liegen kommen.
Dadurch, dass die optischen Elemente an den Sonnenstand nachgeführt werden, ohne dass eine Bewegung des Gehäuses und/oder der Solarzellen erforderlich ist, wird bei der Nachführung nur das kleinere Gewicht der optischen Elemente bewegt, wodurch eine Senkung des mit der Nachführung verbundenen Energieaufwands erreicht wird.
Nachteilig dabei ist, dass der maximale Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, für den die einfallende Sonnenstrahlung mittels eines optischen Elements noch auf die zugeordnete Mikrosolarzelle fokussiert werden kann durch die maximale Dimension des optischen Elements in einer zu seiner optischen Achse senkrechten Ebene und durch die Brennweite des optischen Elements begrenzt ist. Dabei zu berücksichtigen ist, dass dieser maximale Einfallswinkel dem Winkel gleicht, der von der optischen Achse des optischen Elements und der auf der zugeordneten Solarzelle senkrechten Gerade gebildet ist. Um auch die unter großen Winkeln einfallende Sonnenstrahlung am Morgen und am späten Nachmittag bzw. am Abend auf die Mikrosolarzellen fokussieren zu können, müssten optische Elemente verwendet werden, die jeweils eine Brennweite aufweisen, die größer als die Hälfte der maximalen Dimension des jeweiligen optischen Elements in einer zu der optischen Achse des jeweiligen optischen Elements senkrechten Ebene, insbesondere größer als diese maximale Dimension ist. Photovoltaik-Vorrichtungen, die solche optische Elemente aufweisen, haben folglich eine beträchtliche Höhe, die zu einem großen Materialaufwand bei der Herstellung solcher Photovoltaik-Vorrichtungen führt. Die Bruchfestigkeit solcher Photovoltaik-Vorrichtungen gegen z. B. Einwirkungen von Windkräften ist durch ihre große Höhe deutlich beeinträchtigt. Da üblicherweise Fresnellinsen mit einer Lichteintrittsfläche mit einem Diameter von mehr als 20 cm eingesetzt werden, weisen die entsprechenden Photovoltaik-Vorrichtungen eine Höhe von etwa 20 cm und mehr auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 derart aufzubauen, dass die oben genannten Nachteile vermieden sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein geeignetes Nachführverfahren und ein kostengünstiges Herstellungsverfahren sind jeweils in einem Nebenanspruch angegeben. Eine Solaranlage mit mehreren solchen Photovoltaik-Vorrichtungen ist in einem weiteren Nebenanspruch angegeben.
Eine übliche Photovoltaik-Vorrichtung (Solarmodul) mit mindestens einer Solarzelle und mindestens einem der Solarzelle zugeordneten optischen Element, das zur Nachführung an den Sonnenstand unabhängig von der Solarzelle bewegbar ist und das zum Bündeln der einfallenden Sonnenstrahlung auf eine Fläche der Solarzelle vorgesehen ist, die kleiner als eine Lichteintrittsfläche des optischen Elements ist, wird erfindungsgemäß weiterentwickelt indem das optische Element aus einer Vielzahl von Spiegeln ausgebildet ist, die jeweils um mindestens eine erste Drehachse drehbar sind. Dabei sind die Spiegel insbesondere so angeordnet, dass ihre ersten Drehachsen parallel zueinander sind. Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung sind weiterhin Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die ersten Drehachsen vorgesehen.
Insbesondere wird die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung derart positioniert, dass die ersten Drehachsen der Spiegel entweder parallel mit der Nord-Süd-Richtung oder senkrecht auf der Ost-West-Richtung und geneigt gegenüber der Nord-West-Richtung verlaufen. Dabei werden die Spiegel mindestens eines optischen Elements mittels der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die ersten Drehachsen derart positioniert, dass die Spiegel die einfallende Sonnenstrahlung auf die zugeordnete Solarzelle umlenken. Damit kann auch sehr schräg einfallende Sonnenstrahlung wie am frühen Morgen oder am späten Nachmittag bzw. am Abend ganzjährig auf die mindestens eine Solarzelle mittels der einzelnen Spiegel gebündelt werden.
Durch eine geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen der Lichteintrittsfläche des optischen Elements und der Fläche der zugeordneten Solarzelle können sehr unterschiedliche, insbesondere sehr hohe Konzentrationen der auf der Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung erzielt werden. Dabei kann die einfallende Sonnenstrahlung auch am frühen Morgen oder am späten Abend auf das 100- bis 1000fache oder mehr auf die Solarzelle konzentriert werden.
Damit die auf der Lichteintrittsfläche des optischen Elements einfallende Sonnenstrahlung ohne große Verluste auf die zugeordnete Solarzelle konzentriert werden kann, werden Spiegel eingesetzt, die eine kleinere Fläche als die Fläche der zugeordneten Solarzelle aufweisen.
Durch eine geeignete Positionierung der einzelnen Spiegel des optischen Elements können mit demselben optischen Element sehr unterschiedliche Konzentrationen der auf der Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung erzielt werden. Dabei kann die Konzentration der auf der Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung an dem verwendeten Solarzellentyp und/oder an dem Zustand der eingesetzten Solarzelle geeignet angepasst werden.
Insbesondere kann die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements optimal ausgenutzt werden, indem die Spiegel des optischen Elements sehr dicht nebeneinander angesiedelt werden. So können sehr hohe Konzentrationen der einfallenden Sonnenstrahlung mit optischen Elementen erreicht werden, die relativ kleinflächig sind.
Darüber hinaus können flache und dadurch wetterbeständige Photovoltaik-Vorrichtungen realisiert werden, indem insbesondere kleinflächige Spiegel eingesetzt werden.
Beispielsweise können flache und wetterbeständige Solarmodule realisiert werden, die eine Höhe von unter 10 cm, insbesondere von unter 5 cm aufweisen, indem optische Elemente mit einer Lichteintrittsfläche von z. B. über 100 cm² insbesondere über 400 cm² mit Spiegeln verwendet werden, die jeweils eine Fläche von unter ein paar, insbesondere unter einem Quadratzentimeter aufweisen, mittels deren die Sonnenstrahlung ganzjährlich von frühen Morgen bis zum späten Abend auf die Solarzellen gebündelt werden können. Die Spiegel können in einem minimalen Abstand von unter ein paar, insbesondere unter einem Millimeter, vorzugsweise von unter einem Zehntel Millimeter untereinander angeordnet sein. Unter dem minimalen Abstand zwischen den Spiegeln wird der Abstand zwischen den maximalen Projektionsflächen von zwei benachbarten Spiegeln in einer Ebene verstanden, die parallel zu der Lichteintrittsfläche der zugeordneten Solarzelle ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden insbesondere optische Elemente verwendet, die Spiegel aufweisen, die jeweils nur um ihre ersten Drehachsen drehbar sind. Dabei sind die ersten Drehachsen der Spiegel der verwendeten optischen Elemente vorzugsweise parallel zu der Nord-Süd-Richtung angeordnet. Für diese Ausrichtung der ersten Drehachsen können die Spiegel eines optischen Elements die einfallenden Sonnenstrahlung für alle unterschiedliche Jahreszeiten – bei geeigneter einachsiger Nachführung an den Sonnenstand – entlang einer einzelnen Linie bündeln, die parallel zu der ersten Drehachsen verläuft, länger als eine entsprechende Ausdehnung des optischen Elements in einer zu der ersten Drehachsen parallelen Richtung ist und gegenüber dem optischen Elements je nach geografischer Positionierung der Photovoltaik-Vorrichtung auf der Nordhalbkugel, am Äquator oder auf der Südhalbkugel, nach Norden, gar nicht oder nach Süden verschoben ist. Hier ist zu berücksichtigen, dass die Sonnenstrahlung auf den größten Teil der Südhalbkugel bzw. der Nordhalbkugel ganzjährig vom Süden bzw. vom Norden einfällt und, dass die Sonnenstrahlung auf der Nordhalbkugel in der Äquatornähe, am Äquator oder auf der Südhalbkugel in der Äquatornähe innerhalb eines Jahres sowohl vom Norden als auch vom Süden einfallen kann.
Um die Verschiebung der einzelnen Linien und ihre Länge zu minimieren, wird die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung insbesondere so positioniert, dass die ersten Drehachsen der Spiegel senkrecht auf der Ost-West-Richtung und gegenüber der Nord-Süd-Richtung unter einem vorbestimmten Neigungswinkel geneigt verlaufen. Keine Verschiebung und eine minimale Länge der einzelnen Linien wird erreicht, wenn die ersten Drehachsen der Spiegel senkrecht auf der Ost-West-Richtung und senkrecht auf der Winkelhalbierenden des maximalen Winkels verlaufen, der zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung im Sommer und der einfallenden Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung im Winter gebildet wird. In Mitteldeutschland fällt die Sonnenstrahlung im Sommer vom Süden unter einem Winkel von etwa 63,5° und im Winter von Süden unter einem Winkel von etwa 16,5° gegenüber der Nord-Süd-Richtung ein.
Eine geeignete einachsige Nachführung der Spiegel an den Sonnenstand wird erzielt, indem die Spiegel mindestens eines optischen Elements mittels der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die ersten Drehachsen derart um die ersten Drehachsen gedreht werden, dass die Spiegel jeweils senkrecht auf der Winkelhalbierende des Winkels positioniert werden, der zwischen der senkrechten Projektion der bei einem beliebigen Sonnenstand auf den jeweiligen Spiegel auftreffenden Sonnenstrahlung in einer auf der ersten Drehachse des jeweiligen Spiegels senkrechten Projektionsebene, die insbesondere den Mittelpunkt des jeweiligen Spiegels enthält, und einer in dieser Projektionsebene enthaltenen Verbindungslinie zwischen dem jeweiligen Spiegel und der Solarzelle, insbesondere zwischen dem Mittelpunkt des jeweiligen Spiegels und der Solarzelle gebildet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung wird mindestens eine Solarzelle mit einer kleineren Fläche als die Lichteintrittsfläche des optischen Elements eingesetzt, die insbesondere rechteckig ist. Vorzugsweise ist die rechteckige Solarzelle so gegenüber dem zugeordneten optischen Element angeordnet, dass ihre Länge oder ihre Breite in einer zu den ersten Drehachsen parallelen Richtung verläuft. Die Länge oder die Breite der Solarzelle ist dabei größer als die Ausdehnung oder gleich mit der Ausdehnung des optischen Elements in einer zu den ersten Drehachsen parallelen Richtung. Eine solche Solarzelle, vorzugsweise eine Dünnschichtsolarzelle der oben genannten Art ist besonders geeignet für den Einsatz in einer Photovoltaik-Vorrichtung mit Spiegeln, die nur um ihre ersten Drehachsen drehbar sind. Insbesondere wird in einer erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mit Spiegeln, die nur um ihre ersten Drehachsen drehbar sind, mindestens eine Solarzelle entlang einer Linie positioniert, auf die die einfallende Sonnenstrahlung mittels der wie oben angegeben nachgeführten Spiegel für alle unterschiedliche Jahreszeiten gebündelt werden kann. Diese Solarzelle weist dann eine Länge oder eine Breite auf, die mit der Länge dieser Linie gleich ist. Dadurch wird eine ganzjährige Bündelung der einfallenden Sonnenstrahlung auf die Solarzellen erreicht. Für eine solche erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung entfallen der konstruktionelle Aufwand und der Materialaufwand, die mit der Drehung der Spiegel um zwei Achsen verbunden ist. Somit sinken auch die Herstellungskosten einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.
Um die Spiegel möglichst genau an den Sonnenstand nachführen zu können, weisen die optische Elemente insbesondere Spiegel auf, die jeweils um eine auf der ersten Drehachse senkrechte zweite Achse drehbar sind. Dabei sind Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die zweiten Drehachsen vorgesehen.
Eine erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mit mindestens einem optischen Element, der Spiegel aufweist, die jeweils um zwei senkrecht aufeinander verlaufende Drehachsen drehbar sind, wird insbesondere so aufgestellt, dass die ersten Drehachsen der Spiegel senkrecht auf der Ost-West-Richtung und die zweiten Drehachsen der Spiegel entlang der Ost-West-Richtung verlaufen. Die ersten und die zweiten Drehachsen können auch jeweils entlang einer anderen Richtung verlaufen. Hier ist zu berücksichtigen, dass die Bewegung der Sonne in unterschiedlichen Koordinatensystemen darstellbar ist.
Solche Spiegel, die um zwei senkrechte Drehachsen drehbar sind, werden entsprechend dem Sonnenstand mittels der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die ersten Drehachsen und mittels der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die zweiten Drehachsen insbesondere derart bewegt, dass die Spiegel jeweils senkrecht auf der Winkelhalbierende des Winkels positioniert werden, der zwischen der auf den jeweiligen Spiegel auftreffenden Sonnenstrahlung und einer Verbindungslinie, insbesondere der kürzesten Verbindungslinie, die zwischen dem jeweiligen Spiegel und der Solarzelle, vorzugsweise zwischen dem Mittelpunkt des Spiegels und der Solarzelle gebildet wird. Mit einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung kann die einfallende Sonnenstrahlung ganzjährig auf sehr kleinflächige Solarzellen gebündelt werden.
Vorzugsweise werden bei einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung mit Spiegeln, die um zwei Achsen drehbar sind, optische Elemente eingesetzt, die jeweils eine Ausdehnung der Lichteintrittsfläche in einer beliebigen ersten Richtung aufweisen, die größer als eine entsprechende Ausdehnung der jeweils zugeordneten Solarzelle in einer zu der ersten Richtung parallelen zweiten Richtung ist.
Insbesondere können dann kleinflächige Solarzellen aus teueren Halbleiterverbindungen, vorzugsweise Mehrfachzellen eingesetzt werden, die eine Fläche von unter einigen hundert, insbesondere von unter hundert Quadratmillimetern aufweisen können. Dadurch können die Kosten von hocheffizienten Solarzellen aus teueren Halbleiterverbindungen gesenkt werden.
Insbesondere wenn die zweiten Achsen der Spiegel entlang der Ost-West-Richtung verlaufen, können rechteckige Solarzellen, insbesondere rechteckige Dünnschichtsolarzellen eingesetzt werden, die jeweils eine kleinere Fläche als die Lichteintrittsfläche des zugeordneten optischen Elements und eine Länge oder eine Breite aufweisen, die mit der Ausdehnung des zugeordneten optischen Elements in einer zu der Länge oder der Breite der Solarzelle parallelen Richtung gleich ist, so angeordnet werden, dass ihre Länge oder Breite parallel zu der Nord-Süd-Richtung verläuft. In diesem Fall werden die Spiegel des optischen Elements entsprechend dem Sonnenstand mittels der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die ersten Drehachsen und mittels der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die zweiten Drehachsen insbesondere derart bewegt, dass die Spiegel jeweils senkrecht auf der Winkelhalbierende des Winkels positioniert werden, der zwischen der auf den jeweiligen Spiegel auftreffenden Sonnenstrahlung und einer Verbindungslinie, vorzugsweise der kürzesten Verbindungslinie, die zwischen dem jeweiligen Spiegel und der Solarzelle, insbesondere zwischen dem Mittelpunkt des Spiegels und der Solarzelle gebildet wird.
Zusammengefasst, können mittels der oben genannten Spiegel, die jeweils um zwei Achsen drehbar sind, hocheffiziente, günstige, flache und dadurch auch wetterbeständige Photovoltaik-Vorrichtungen bereitgestellt werden, bei denen, die einfallende Sonnenstrahlung ganzjährig vom frühen Morgen bis zum späten Abend auf sehr kleine hocheffiziente Solarzellen insbesondere aus teueren Halbleiterverbindungen gebündelt wird. Die Effizienz der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung kann zusätzlich durch die Verwendung von leichtgewichtigen Spiegeln gesteigert werden, die ohne großen Energieaufwand an den Sonnenstand nachgeführt werden.
Insbesondere umfasst mindestens ein auf der der Sonne zugewandten Seite der Solarzelle angebrachtes optisches Element Spiegel, die jeweils eine verspiegelte Fläche aufweisen. Die ersten Drehachsen der Spiegel sind senkrecht auf der Ost-West-Richtung. Diese einfach verspiegelten Spiegel müssen um mindestens 180° um ihre ersten Drehachsen drehbar sein, damit die vom Osten und vom Westen einfallende Sonnenstrahlung jeweils auf die verspiegelten Fläche der Spiegel auftreffen kann und von diesen jeweils auf die Solarzelle umgelenkt werden kann. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Sonnenstrahlung für Sonnenstände, die gegenüber der Verbindungslinie zwischen einem Spiegel und der Solarzelle, insbesondere gegenüber der Verbindungslinie zwischen der Mitte eines Spiegels und der Solarzelle nach Osten verschoben ist, vom Osten auf den Spiegel einfällt, und die Sonnenstrahlung für Sonnenstände, die gegenüber der Verbindungslinie zwischen einem Spiegel und der Solarzelle, insbesondere gegenüber der Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt eines Spiegels und der Solarzelle nach Westen verschoben sind, vom Westen auf den Spiegel einfällt.
Da sich die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung gegenüber der Ost-West-Richtung im Sommer von frühen Morgen bis zum späten Abend um etwa 180° ändert, müssen die Spiegel die insbesondere eine einzige verspiegelte Fläche aufweisen, zumindest um weitere 90°, also insgesamt um 270° um ihre ersten Drehachsen drehbar sein, damit sie jeweils insbesondere senkrecht auf die Winkelhalbierende zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung und einer Verbindungslinie zwischen dem jeweiligen Spiegel und der Solarzelle, insbesondere zwischen dem Mittelpunkt des Spiegels und der Solarzelle positioniert werden können und so die einfallende Sonnenstrahlung unabhängig von der Tageszeit auf die Solarzelle bündeln können.
Insbesondere umfasst mindestens ein auf der der Sonne abgewandten Seite der Solarzelle angebrachtes optisches Element einfach verspiegelte Spiegel. Die ersten Drehachsen der Spiegel sind senkrecht auf der Ost-West-Richtung. Diese Spiegel können die vom Osten und vom Westen einfallende Sonnenstrahlung auf die Solarzelle umlenken, ohne um mindestens 180° um ihre ersten Drehachsen gedreht werden zu müssen. Um die einfallenden Sonnenstrahlung im Sommer von frühen Morgen bis zum späten Abend auf die Solarzelle zu bündeln, müssen solche doppelt verspiegelte Spiegel um mindestens 90° um ihre ersten Drehachsen drehbar sein.
Vorzugsweise umfasst mindestens ein insbesondere auf der der Sonne zugewandten Seite der Solarzelle angebrachtes optisches Element Spiegel, die zwei parallele verspiegelte Flächen aufweisen. Diese Spiegel sind jeweils auch auf ihrer Rückseite verspiegelt. Die ersten Drehachsen der Spiegel sind senkrecht auf der Ost-West-Richtung. Solche Spiegel können die vom Osten und vom Westen einfallende Sonnenstrahlung auf die Solarzelle umlenken, ohne um mindestens 180° um ihre ersten Drehachsen gedreht werden zu müssen. Um die einfallenden Sonnenstrahlung im Sommer von frühen Morgen bis zum späten Abend auf die Solarzelle zu bündeln, müssen solche doppelt verspiegelte Spiegel um mindestens 90° um ihre ersten Drehachsen drehbar sein.
Da sich die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung vom Winter zum Sommer um etwa 48° ändert, müssen Spiegel, die insbesondere um zwei senkrecht aufeinander verlaufende Drehachsen drehbar sind und deren zweiten Drehachsen entlang der Ost-West-Richtung verlaufen, auch um mindestens 24° um ihre zweiten Drehachsen drehbar sein, damit sie jeweils senkrecht auf der Winkelhalbierende zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung und einer Verbindungslinie, vorzugsweise der kürzesten Verbindungslinie zwischen dem jeweiligen Spiegel und der Solarzelle, vorzugsweise zwischen dem Mittelpunkt des jeweiligen Spiegels und der Solarzelle positioniert werden können und so die einfallende Sonnenstrahlung auf die Solarzelle ganzjährig bündeln können.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst ein auf der der Sonne zugewandten Seite der Solarzelle angebrachtes optisches Element Spiegel auf, die einfach verspiegelt, um zwei senkrecht aufeinander verlaufende Drehachsen drehbar und so angeordnet sind, dass ihre zweiten Drehachsen entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufen. Die ersten Drehachsen der Spiegel sind dann während der Nachführung der Spiegel an den Sonnenstand unter einem variablen Winkel gegenüber der Ost-West-Richtung geneigt.
Da innerhalb eines Jahres sich die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung vom Winter zum Sommer um etwa 48° ändert, kann die Sonnenstrahlung für Sonnenstände, die gegenüber einer Verbindungslinie zwischen einem Spiegel und der zugeordneten Solarzelle, insbesondere zwischen dem Mittelpunkt dieses Spiegels und der zugeordneten Solarzelle nach Norden verschoben sind, vom Norden auf diesen Spiegel einfallen, und die Sonnenstrahlung für Sonnenstände, die gegenüber der Verbindungslinie zwischen einem Spiegel und der zugeordneten Solarzelle, insbesondere zwischen dem Mittelpunkt dieses Spiegels und der zugeordneten Solarzelle nach Süden verschoben sind, vom Süden auf diesen Spiegel einfallen.
Dabei müssen einfach verspiegelte Spiegel, deren zweiten Drehachsen entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufen und für die die Winkel zwischen ihrer Verbindungslinien zu der zugeordneten Solarzelle und den Winkelhalbierenden der Winkel, die zwischen der Projektionen der Einfallsrichtungen der Sonnenstrahlung im Winter und im Sommer in einer auf die Ost-West-Richtung senkrechten Ebene, kleiner als etwa 24° sind, um mindestens 180° um ihre ersten Achsen drehbar sein, damit die vom Norden und vor Süden einfallende Sonnenstrahlung auf ihre verspiegelte Fläche auftrifft. Da innerhalb eines Jahres sich die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung vom Winter zum Sommer um etwa 48° ändert, müssen diese Spiegel zumindest um weitere 24°, also insgesamt um 204° um ihre ersten Drehachsen drehbar sein. Damit sie die Bewegung der Sonne in der Ost-West-Richtung gleichzeitig verfolgen können, müssen diese einfach verspiegelten Spiegel auch um 90° um ihre zweiten Drehachsen drehbar sein.
Bei einfach verspiegelten Spiegeln, deren zweiten Drehachsen entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufen und für die die Winkel zwischen ihrer Verbindungslinien zu der zugeordneten Solarzelle und den Winkelhalbierenden der Winkel, die zwischen der Projektionen der Einfallsrichtungen der Sonnenstrahlung im Winter und im Sommer in einer auf die Ost-West-Richtung senkrechten Ebene gebildet werden, größer als etwa 24° sind, fällt die Sonnenstrahlung nur vom Norden oder nur vom Süden auf ihre verspiegelten Flächen ein. Da innerhalb eines Jahres sich die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung vom Winter zum Sommer um etwa 48° ändert, müssen diese Spiegel um mindestens 24° um ihre ersten Drehachsen drehbar sein. Damit sie die Bewegung der Sonne in der Ost-West-Richtung gleichzeitig verfolgen können, müssen diese einfach verspiegelten Spiegel auch um 90° um ihre zweiten Drehachsen drehbar sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein auf der der Sonne abgewandten Seite der Solarzelle angebrachtes optisches Element Spiegel auf, die einfach verspiegelt, um zwei senkrecht aufeinander verlaufende Drehachsen drehbar und so angeordnet sind, dass ihre zweiten Drehachsen entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufen. Die ersten Drehachsen der Spiegel sind dann während der Nachführung der Spiegel an den Sonnenstand unter einem variablen Winkel gegenüber der Ost-West-Richtung geneigt. Diese einfach verspiegelten Spiegel müssen dann nur um mindestens 24° um ihre ersten Drehachsen und um mindestens 90° um ihre zweiten Drehachsen drehbar sein, damit sie die vom Norden und/oder vom Süden einfallende Sonnenstrahlung ganzjährig vom Morgen bis zum Abend auf die Solarzelle umlenken können. Dabei muss keiner der Spiegel um mindestens 180° um ihre erste Drehachse gedreht werden.
Vorzugsweise umfasst ein optisches Element doppelt verspiegelte Spiegel, die um zwei senkrecht aufeinander verlaufende Drehachsen drehbar und so angeordnet sind, dass ihre zweiten Drehachsen entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufen. Diese doppelt verspiegelten Spiegel müssen dann nur um mindestens 24° um ihre ersten Drehachsen und um mindestens 90° um ihre zweiten Drehachsen drehbar sein, damit sie die vom Norden und/oder vom Süden einfallende Sonnenstrahlung ganzjährig vom Morgen bis zum Abend auf die Solarzelle umlenken können. Keine der doppelt verspiegelten Spiegel muss um mindestens 180° um ihre erste Drehachse gedreht werden.
Insbesondere werden auch einfach und doppelt verspiegelte Spiegel, die um zwei senkrecht aufeinander verlaufende Drehachsen sind und deren zweiten Drehachsen entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufen, jeweils senkrecht auf der Winkelhalbierende zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung und einer insbesondere der kürzesten Verbindungslinie zwischen dem jeweiligen Spiegel und der Solarzelle, vorzugsweise zwischen dem Mittelpunkt des jeweiligen Spiegels und der Solarzelle positioniert, damit sie die einfallende Sonnenstrahlung für jeden möglichen Sonnenstand auf die Solarzelle bündeln können.
Um den Aufwand zu minimieren, der bei der Berechnung der Winkel entsteht, unter denen die Spiegel geneigt werden müssen, damit sie die einfallende Sonnenstrahlen auf die Solarzelle umlenken, werden bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung insbesondere Spiegel verwendet, die von ihrer ersten Drehachsen und/oder von ihrer zweiten Drehachsen jeweils in zwei gleichen Teile geteilt werden. Besonders bevorzugt sind Ausführungen der Erfindung, bei denen die ersten und die zweiten Drehachse in dem Mittelpunkt des entsprechenden Spiegels sich jeweils kreuzen.
Vorzugsweise sind die Spiegel mindestens eines optischen Elements derart angeordnet, dass die auf einer eine Lichteintrittsfläche der zugeordneten Solarzelle umfassenden Ebene senkrechten Verbindungslinien zwischen den Mittelpunkten der Spiegel, vorzugsweise zwischen den Mittelpunkten von benachbarten Spiegeln und der die Lichteintrittsfläche der zugeordneten Solarzelle umfassenden Ebene unterschiedliche Längen aufweisen. Bei einer geeigneten Wahl der Beabstandungen der Mittelpunkten von benachbarten Spiegeln gegenüber der die Lichteintrittsfläche der zugeordneten Solarzelle umfassenden Ebene kann eine gegenseitige Verschattung der Spiegel, insbesondere von benachbarten Spiegeln minimiert bzw. vermieden werden.
Insbesondere bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die ersten Drehachsen und/oder die Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die zweiten Drehachsen die Drehung der Spiegel durch elektrostatische Kräfte steuern.
Insbesondere können die verwendeten Spiegel rechteckig, quadratisch oder kreisförmig sein.
Vorzugsweise ist die Lichteintrittsfläche des optischen Elements rechteckig, insbesondere quadratisch, vorzugsweise kreisförmig.
Die verwendeten Solarzellen können rechteckig, insbesondere quadratisch, vorzugsweise kreisförmig sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein optisches Element verwendet, das Mikrospiegel umfasst, die jeweils eine Fläche aufweisen, die jeweils kleiner als 1 mm², insbesondere kleiner als 300 μm², vorzugsweise kleiner als 100 μm² ist. Insbesondere bevorzugt sind quadratische Spiegel, die eine Kantenlänge von etwa 16 μm aufweisen und untereinander einen minimalen Abstand von unter einigen Mikrometer vorzugsweise von unter 5 μm bis unter 1 μm aufweisen. Unter dem minimalen Abstand zwischen den Mikrospiegeln wird der Abstand zwischen den maximalen Projektionsflächen von zwei benachbarten Mikrospiegeln in einer Ebene verstanden, die parallel zu der Lichteintrittsfläche der zugeordneten Solarzelle ist.
Dabei umfassen die Steuermittel zum Steuer der Drehung der Mikrospiegel um die ersten Drehachsen insbesondere mindestens eine erste MEMS-Steuervorrichtung.
Vorzugsweise umfassen die Steuermittel zum Steuer der Drehung der Mikrospiegel um die zweiten Drehachsen mindestens die erste und/oder mindestens eine zweite MEMS-Steuervorrichtung.
Die Abkürzung MEMS wird üblicherweise für den Begriff Micro-Electro-Mechanical Systems verwendet, der ein Mikrosystem bezeichnet, das eine miniaturisierte Vorrichtung ist, die mindestens zwei unterschiedliche Komponenten umfasst, die als System zusammenwirken und Abmessungen in Mikrometerbereich aufweisen. Die Komponenten können z. B. Abmessungen aufweisen, die jeweils kleiner als 100 Mikrometern, insbesondere kleiner als 10 bis 50 Mikrometern sind.
Ein Mikrosystem ist z. B. aus dem Dokument US 6,618,186 B2 bekannt.
Die Verwendung von Mikrosystemen zum Steuer der Drehungen der Mikrospiegel um ihre ersten und/oder um ihre zweiten Drehachsen bittet gegenüber der Verwendung von Makrosystemen, die z. B. Abmessungen in Millimeter- oder Zentimeterbereich aufweisen, viele Vorteile. Die bedeutendsten Vorteile sind die Erhöhung der Funktionalität, der Funktionsdichte, und der Funktionszuverlässigkeit, und die deutliche Senkung der Reaktionszeit, des Material- und des Energieverbrauchs.
Die Mikrospiegel einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung, die Mikrosysteme zum Steuer der Drehungen der Mikrospiegel um ihre ersten und/oder um ihre zweiten Drehachsen aufweist, können mittels der Mikrosysteme viel genauer und mit weniger Energieaufwand an den Sonnenstand nachgeführt werden. Solche erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtungen, die Mikrosysteme aufweisen, werden folglich effizienter und kleiner als vergleichbare Photovoltaik-Vorrichtungen ohne Mikrosysteme und bleiben kostengünstig in der Herstellung.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind mindestens ein Mikrospiegel und mindestens eine erste MEMS-Steuervorrichtung und/oder mindestens eine zweite MEMS-Steuervorrichtung in einem gemeinsamen Chip eingebaut. Folglich können die optischen Elemente einen bzw. einige wenige Chips umfassen. Dadurch können besonders kompakte und materialsparende optische Elemente realisiert und in der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung eingesetzt werden, die dadurch kostengünstiger wird.
Insbesondere sind die Spiegel mindestens eines optischen Elements an einem ersten gemeinsamen Substrat oder Chip aus transparentem Material, insbesondere aus Kunststoff angebracht. Vorteilhaft dabei ist, dass bei einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung mindestens ein optisches Element insbesondere auf der der Sonne zugewandten Seite der zugeordneten Solarzelle angebracht werden kann. Die einfallende Sonnstrahlung kann dann durch das transparente Material des Substrats oder des Chips ohne große Verluste durchgehen und die Solarzelle bzw. die Solarzellen erreichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein optisches Element auf der der Sonne abgewandte Seite der zugeordneten Solarzelle angebracht. Dabei sind die Spiegel mindestens eines optischen Elements auf der der Sonne zugewandten Seite eines zweiten gemeinsamen Substrats oder Chips aus nicht transparentem Material, insbesondere aus Halbleiterverbindungen, vorzugsweise aus Silizium oder Galliumarsenid angebracht. Bei einer solchen erfindungsgemäßen Konstruktion können auch konventionelle, marktübliche und dadurch kostengünstige Chips auf Halbleiterbasis, insbesondere auf Silizium- oder Galliumarsenidbasis eingesetzt werden.
Vorzugsweise umfassen die Steuermitteln zum Steuer der Drehung der Spiegel um die ersten Drehachsen mindestens eine erste Haltevorrichtung, die zwei gleichlange und senkrecht auf dem Substrat angeordnete Stützelemente und ein auf den Stützelementen senkrecht angeordnetes Trägerelement umfasst, das die erste Drehachse mindestens eines Spiegels bildet, der mindestens ein erstes Drehelement aufweist, das das Trägerelement zumindest teilweise umgibt.
Insbesondere ist das Trägerelement zylinderförmig und durch ein erstes rohrförmiges Drehelement umgeben. Diese einfache, kostengünstige Konstruktion ermöglicht, dass der mindestens eine Spiegel um 360° um ihre erste Drehachse drehbar ist.
Mindestens eine erste Haltevorrichtung kann insbesondere zwei auf den Stützelementen jeweils senkrecht angeordnete Trägerelemente umfassen, die entlang der ersten Drehachse mindestens eines Spiegels angeordnet sind, wobei die Trägerelemente jeweils von mindestens einem ersten Drehelement zumindest teilweise umgeben sind oder jeweils mindestens ein erstes Drehelement zumindest teilweise jeweils umgeben.
Insbesondere sind die Trägerelemente zylinderförmig und von mindestens einem ersten rohrförmigen Drehelement umgeben. Diese einfache, kostengünstige Konstruktion ermöglicht, dass mindestens ein Spiegel um 360° um seine erste Drehachse drehbar ist.
Dabei kann mindestens ein Spiegel einen oder mehrere erste Drehelemente aufweisen.
Zylindrische Trägerelemente können z. B. von demselben ersten rohrförmigen Drehelement oder jeweils von mindestens einem anderen ersten, rohrförmigen Drehelement zumindest teilweise umgeben sein. Denkbar wäre auch, dass die zylindrischen Trägerelemente jeweils von einem gemeinsamen ersten Drehelement und jeweils von mindestens einem anderen ersten Drehelement zumindest teilweise umgeben sind. Andere Kombinationen sind auch möglich.
Rohrförmige Trägerelemente können z. B. denselben ersten zylinderförmigen Drehelement oder jeweils mindestens einen anderen ersten, zylinderförmigen Drehelement zumindest teilweise umgeben. Denkbar wäre auch, dass die rohrförmigen Trägerelemente jeweils einen gemeinsamen ersten Drehelement und jeweils mindestens einen anderen ersten Drehelement zumindest teilweise umgeben. Andere Kombinationen sind auch hier möglich.
Durch die Verwendung von rohrförmigen oder zylinderförmigen Trägerelementen und von zylinderförmigen oder rohrförmigen ersten Drehelementen wird der Herstellungsaufwand der ersten Haltevorrichtung minimiert. Eine solche erste Haltevorrichtung ist materialsparend, kostengünstig und wird in einfacher Weise realisiert. Diese erste Haltevorrichtung kann Abmessungen in Mikrometerbereich aufweisen und für die Drehung von Mikrospiegeln um ihre ersten Drehachsen verwendet werden. Dadurch ist es möglich, die in einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung verwendeten Spiegel, insbesondere die verwendeten Mikrospiegel mittels mindestens einer solchen ersten Haltevorrichtung in einfachster Weise um ihre ersten Drehachsen auch um 360° zu drehen.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eine erste Haltevorrichtung einen Rahmen und mindestens ein Trägerelement, wobei der Rahmen eine Fläche umrahmt, die größer als die Fläche mindestens eines Spiegels ist, das Trägerelement mit seinen beiden Enden an dem Rahmen befestigt ist und die erste Drehachse mindestens eines Spiegels bildet, der mindestens ein erstes Drehelement aufweist, das das Trägerelement zumindest teilweise umgibt. Dabei umfassen die Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die zweiten Drehachsen mindestens eine zweite Haltevorrichtung mit zwei gleichlangen Stutzelementen und zwei Verbindungselementen. Die Stützelemente sind senkrecht auf dem Substrat angeordnet und an ihren dem Substrat abgewandten Enden jeweils mit einem entlang der zweiten Drehachse des Spiegels angeordneten Verbindungselement verbunden. Die Verbindungselemente sind jeweils zumindest teilweise von einem zweiten, an dem Rahmen angebrachten und entlang der zweiten Drehachse des Spiegels angeordneten Drehelement umgeben oder umgeben jeweils zumindest teilweise einen zweiten, an dem Rahmen angebrachten und entlang der zweiten Drehachse des mindestens eines Spiegels angeordneten Drehelement.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eine erste Haltevorrichtung einen Rahmen und mindestens zwei Trägerelemente, wobei der Rahmen eine Fläche umrahmt, die größer als die Fläche mindestens eines Spiegels ist, die Trägerelemente jeweils an dem Rahmen befestigt sind und entlang der ersten Drehachse mindestens eines Spiegels angeordnet sind, der mindestens ein erstes Drehelement aufweist, das die Trägerelemente jeweils zumindest teilweise umgibt oder von den Trägerelementen jeweils zumindest teilweise umgeben ist. Dabei weisen die Steuermitteln zum Steuer der Drehung der Spiegel um die zweiten Drehachsen mindestens eine zweite Haltevorrichtung mit zwei gleichlangen Stützelementen und zwei Verbindungselementen auf, wobei die Stützelemente senkrecht auf dem Substrat anordnet sind und an ihren dem Substrat abgewandten Enden jeweils mit einem entlang der zweiten Drehachse des Spiegels angeordneten Verbindungselement verbunden sind. Die Verbindungselemente sind jeweils zumindest teilweise von einem zweiten, an dem Rahmen angebrachten und entlang der zweiten Drehachse des Spiegels angeordneten Drehelement umgeben oder umgeben jeweils zumindest teilweise einen zweiten, an dem Rahmen angebrachten und entlang der zweiten Drehachse des mindestens eines Spiegels angeordneten Drehelement.
Mindestens eine erste Haltevorrichtung und mindestens eine zweite Haltevorrichtung können jeweils Abmessungen in Mikrometerbereich aufweisen und für die Drehung mindestens eines Mikrospiegels um seine erste und um seine zweite Drehachse verwendet werden.
Mittels mindestens einer ersten Haltevorrichtung können die verwendeten Spiegel, insbesondere die verwendeten Mikrospiegel in einfacher Weise vorzugsweise um 360° um ihre ersten Drehachsen gedreht werden. Durch die Verwendung mindestens einer zweiten Haltevorrichtung können die verwendeten Spiegel, insbesondere die verwendeten Mikrospiegel in einfacher Weise vorzugsweise um 360° auch um ihre zweiten Drehachsen gedreht werden.
Vorzugsweise ist/sind mindestens ein Trägerelement und/oder mindestens ein erstes Drehelement und/oder mindestens ein Verbindungselement und/oder mindestens ein zweites Drehelement zylinder- oder rohrförmig.
Dabei können rohrförmige Verbindungselemente jeweils ein zweites zylinderförmiges Drehelement zumindest teilweise umgeben. Auch können zylinderförmige Verbindungselemente jeweils durch ein rohrförmiges zweites Drehelement umgeben sein.
Durch die Verwendung von rohrförmigen oder zylinderförmigen Verbindungselementen und von zylinderförmigen oder rohrförmigen zweiten Drehelementen wird der Herstellungsaufwand der zweiten Haltevorrichtung minimiert. Eine solche zweite Haltevorrichtung ist materialsparend, kostengünstig und wird in einfacher Weise realisiert. Mindestens eine solche zweite Haltevorrichtung kann Abmessungen in Mikrometerbereich aufweisen und für die Drehung mindestens eines Mikrospiegels um seine zweite Drehachse verwendet werden. Dadurch ist es möglich, die in einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung verwendeten Spiegel, insbesondere die verwendeten Mikrospiegel mittels mindestens einer solchen zweiten Haltevorrichtung in einfachster Weise um ihre zweiten Drehachsen auch um 360° zu drehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist/sind mindestens eine erste Haltevorrichtung und/oder mindestens eine zweite Haltevorrichtung zumindest teilweise aus transparentem Material ausgebildet. Dadurch kann die einfallende Sonnenstrahlung beinah ungehindert von den verwendeten Haltevorrichtungen die Spiegel erreichen und von diesen auf die zugeordneten Solarzellen gebündelt werden.
Mindestens ein erstes Drehelement ist vorzugsweise an der Rückseite des zugeordneten Spiegels angebracht. Diese einfach realisierbare Anbringung des ersten Drehelements wird insbesondere bevorzugt, wenn einfach verspiegelte Spiegel eingesetzt werden. Dadurch kann die einfallende Sonnenstrahlung die verspiegelte Fläche der Spiegel ohne Beeinträchtigung durch die ersten Drehelemente erreichen. Darüber hinaus können die Spiegel sehr dicht nebeneinander angesiedelt werden, da durch derart angebrachte erste Drehelemente keinen Teil der Lichteintrittsfläche der optischen Elemente beansprucht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ist insbesondre mindestens ein Spiegel mit zwei ersten Drehelementen vorhanden, die jeweils an einem ersten Ende an dem Außenrand des Spiegels befestigt sind und entlang der ersten Drehachse des Spiegels angeordnet sind. Diese einfach realisierbare Anbringung der ersten Drehelemente wird insbesondere bevorzugt, wenn die Spiegel doppelt verspiegelt sind. Dadurch kann die einfallende Sonnenstrahlung beide verspiegelte Flächen der Spiegel ohne Beeinträchtigung durch die ersten Drehelemente erreichen.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Spiegel des optischen Elements aus einer ersten Elektrode ausgebildet. Auf der maximalen Projektionsfläche dieses Spiegels auf dem Substrat ist/sind mindestens eine zweite und/oder mindestens eine dritte Elektrode vorhanden, die sich parallel zu der ersten Drehachse des Spiegels erstrecken. Dabei wird die Drehung des Spiegels um ihre erste Drehachse durch elektrostatische Kräfte gesteuert, indem die erste Elektrode mit einer ersten elektrischen Ladung, die zweite Elektrode mit einer zweiten elektrischen Ladung und/oder die dritte Elektrode mit einer dritten elektrischen Ladung aufladbar sind, insbesondere aufgeladen werden. Damit eine geeignete Größe der für die Drehung des Spiegels um ihre erste Drehachse verantwortlichen elektrostatischen Kräfte zwischen dem ersten und dem zweiten und/oder zwischen dem ersten und der dritten Elektrode für jede beliebige Position des Spiegels einstellbar ist, ist bzw. wird mindestens einer der vorhandenen ersten, zweiten und/oder dritten Elektroden mit einer variablen Ladung aufladbar bzw. aufgeladen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Spiegel des optischen Elements aus einer ersten Elektrode ausgebildet. Auf der maximalen Projektionsfläche dieses Spiegels auf dem Substrat ist/sind mindestens eine vierte und/oder mindestens eine fünfte Elektrode vorhanden, die sich parallel zu der zweiten Drehachse des Spiegels erstrecken. Dabei wird die Drehung des Spiegels um ihre zweite Drehachse durch elektrostatische Kräfte gesteuert, indem die erste Elektrode mit einer ersten elektrischen Ladung, die vierte Elektrode mit einer vierten elektrischen Ladung und/oder die fünften Elektrode mit einer fünften elektrischen Ladung aufladbar sind, insbesondere aufgeladen werden. Damit eine geeignete Größe der für die Drehung des Spiegels um ihre zweite Drehachse verantwortlichen elektrostatischen Kräfte zwischen dem ersten und dem vierten und/oder zwischen dem ersten und dem fünften Elektrode für jede beliebige Position des Spiegels einstellbar ist, ist bzw. wird mindestens einer der vorhandenen ersten, vierten und/oder fünften Elektroden mit einer variablen Ladung aufladbar bzw. aufgeladen.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ist insbesondere mindestens ein Temperatursensor zum Messen der Temperatur der Solarzelle vorhanden, der zur Einstellung einer temperaturabhängigen Positionierung mindestens eines Spiegels des optischen Elements mit der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die ersten Drehachsen und/oder mit der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel um die zweiten Drehachsen elektrisch gekoppelt ist. Dadurch können die Spiegel des optischen Elements so positioniert werden, dass bei einer Erhöhung der Arbeitstemperatur der zugeordneten Solarzelle nur noch ein Teil der Spiegel des optischen Elements die einfallende Sonnenstrahlung auf die zugeordnete Solarzelle bündeln und der restlichen Teil der Spiegel die einfallenden Sonnenstrahlung weg von der Fläche der zugeordneten Solarzelle umlenken. Dadurch kann eine Überhitzung und damit eine Senkung des Wirkungsgrads der verwendeten Solarzellen vermieden werden. Dadurch wird auch erreicht, dass die Arbeitstemperatur der Solarzellen in einem vorgegebenen Temperaturbereich gehalten werden kann, in dem der Wirkungsgrad der Solarzellen keinen bedeutenden Abfall erfährt. Die Konzentration der einfallenden Sonnenstrahlung kann auf dieser Weise so angepasst werden, dass der Wirkungsgrad der verwendeten Solarzellen in einem optimalen Bereich bleibt. Eine zusätzliche Kühlung der verwendeten Solarzellen ist dann nicht mehr unbedingt notwendig.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Spiegel des optischen Elements ein dichroitischer Spiegel, insbesondere ein doppelt verspiegelter dichroitischer Spiegel, der die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der zugeordneten Solarzelle in elektrischen Strom umwandelbaren Frequenzspektrum reflektiert und die sonstige Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle nicht in elektrischen Strom umwandelbaren Frequenzspektrum durchlässt.
Durch die Verwendung von optischen Elementen mit dichroitischen Spiegeln wird nur einfallende Sonnenstrahlung in einem Frequenzspektrum auf die zugeordneten Solarzellen gebündelt, die von den Solarzellen in Strom umgewandelt werden kann. Langwelligere Sonnenstrahlung, die von der Solarzelle nicht in Strom umgewandelt werden kann, wird von den Solarzellen gänzlich in Wärme umgewandelt. Durch die Verwendung von dichriotischen Spiegeln wird eine Erwärmung der Solarzellen durch die langwelligere Sonnenstrahlung, die von den Solarzellen nicht in Strom umwandelbar ist, vermieden. Da bekanntlich der Wirkungsgrad der Solarzellen mit einer Erhöhung ihrer Temperatur sinkt, wird durch die Verwendung von dichroitischen Spiegeln eine Erhöhung der Effizienz einer entsprechenden erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erzielt.
Insbesondere ist die mindestens eine in einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung verwendeten Solarzelle an ihrer dem zugeordneten optischen Elementen zugewandten Seite von einer transparenten Schutzschicht umhüllt, die die Solarzelle vor Feuchtigkeit, Verschmutzung und Umwelteinflüssen jeder Art schützt.
Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung kann sehr einfach, kompakt und dadurch kostengünstig hergestellt werden, indem die dem optischen Element zugewandte Seite der transparenten Schicht an das optische Element angrenzt.
Vorzugsweise ist an der der Sonne zugewandten Seite des optischen Elements, insbesondere an der der Sonne zugewandten Seite des Substrats oder des Chips, an dem die Spiegel befestigt sind, eine Lichteintrittsplatte zum Schutzen der Spiegel vor Umwelteinflüsse angebracht.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist an der der Sonne zugewandten Seite der Solarzelle und insbesondre an der der Sonne zugewandten Seite des optischen Elements ein dichroitisches Filter angebracht, das die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum durchlässt und die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum reflektiert. Dadurch wird nur Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum auf die Solarzelle gebündelt und die Solarzelle kann durch die Wechselwirkung mit der restlichen Sonnenstrahlung nicht erhitzt werden.
Mehrere der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtungen sind insbesondere in einer Solaranlage zusammengefasst.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Photovoltaik-Vorrichtung mindestens ein auf der der Sonne zugewandten Seite einer zugeordneten rechteckigen Solarzelle angebrachtes optisches Element mit Spiegeln aufweist, die jeweils nur um ihre ersten, zu der Nord-Süd-Richtung parallel verlaufenden oder gegenüber der Nord-Süd-Richtung geneigten und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Drehachsen drehbar sind, einfach verspiegelt sind und zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Morgen positioniert sind;
1a eine detaillierte Schnittansicht durch einen in der Photovoltaik-Vorrichtung von 1 verwendbaren Spiegel mit einer ersten Haltevorrichtung;
1b eine weitere detaillierte Schnittansicht durch einen in der Photovoltaik-Vorrichtung von 1 verwendbaren Spiegel mit einer ersten Haltevorrichtung;
2 eine schematische teilweise Schnittansicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Spiegel zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Mittag positioniert sind;
3 eine schematische teilweise Schnittansicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Spiegel zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Abend positioniert sind;
4a und 4b jeweils eine stark schematisierte Projektion des in einer in der 2 dargestellten und im Mitteldeutschland aufgestellten Photovoltaik-Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Sommer und im Winter vorkommenden Strahlenganges in einer Teilebene, die jeweils senkrecht auf der Ost-West-Richtung ist und jeweils die erste Drehachsen eines Spiegels enthält;
5a und 5b jeweils eine schematische teilweise Schnittansicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Photovoltaik-Vorrichtung zusätzlich zu einer Photovoltaik-Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung eine transparente Schutzschicht zwischen dem optischen Element und der Solarzelle aufweist;
6a und 6b jeweils eine schematische teilweise Draufsicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform;
7a bis 7d jeweils eine stark schematisierte Schnittansicht durch einen in einer Photovoltaik-Vorrichtung nach der ersten oder zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendbaren Spiegel während einer Drehung um ihre erste Drehachse, wobei sich der Spiegel jeweils in einer anderen Position befindet;
8 eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Photovoltaik-Vorrichtung mindestens ein auf der der Sonne zugewandten Seite einer zugeordneten rechteckigen Solarzelle angebrachtes optisches Element mit Spiegeln aufweist, die jeweils nur um ihre ersten, zu der Nord-Süd-Richtung parallel verlaufenden oder gegenüber der Nord-Süd-Richtung geneigten und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Drehachsen drehbar sind, doppelt verspiegelt sind und zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Morgen positioniert sind;
8a eine detaillierte Schnittansicht durch einen in der Photovoltaik-Vorrichtung von 7 verwendbaren Spiegel mit einer ersten Haltevorrichtung;
8b eine weitere detaillierte Schnittansicht durch eine in der Photovoltaik-Vorrichtung von 7 verwendbaren Spiegel mit einer ersten Haltevorrichtung;
9 eine schematische teilweise Schnittansicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Spiegel zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Mittag positioniert sind;
10 eine schematische teilweise Schnittansicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Spiegel zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Abend positioniert sind;
11 eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Photovoltaik-Vorrichtung mindestens ein auf der der Sonne abgewandten Seite einer zugeordneten rechteckigen Solarzelle angebrachtes optisches Element mit dichroitischen Spiegeln aufweist, die nur um ihre ersten, zu der Nord-Süd-Richtung parallel verlaufenden oder gegenüber der Nord-Süd-Richtung geneigten und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Drehachsen drehbar sind, einfach verspiegelt sind und zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Morgen positioniert sind;
12 eine schematische teilweise Schnittansicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach der vierten Ausführungsform der Erfindung, wobei die dichroitischen Spiegel zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Mittag positioniert sind;
13 eine schematische teilweise Schnittansicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach der vierten Ausführungsform der Erfindung, wobei die dichroitischen Spiegel zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Abend positioniert sind;
14 eine perspektivische Ansicht eines in einer Photovoltaik-Vorrichtung nach einer fünften oder sechsten Ausführungsform der Erfindung verwendbaren Spiegels, wobei der Spiegel einfach verspiegelt und um zwei aufeinander senkrecht verlaufende Drehachsen drehbar ist;
15 eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach der fünften Ausführungsform der Erfindung, wobei die Photovoltaik-Vorrichtung mindestens ein auf der der Sonne abgewandten Seite einer rechteckigen Solarzelle angebrachtes optisches Element mit Spiegel aufweist, die jeweils einfach verspiegelt sind, um eine erste Drehachse und um eine zweite, auf der ersten Drehachse senkrechten und entlang der Ost-West-Richtung verlaufende Drehachse drehbar sind und zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Mittag positioniert sind;
16 eine schematische teilweise Schnittansicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Photovoltaik-Vorrichtung zusätzlich zu einer Photovoltaik-Vorrichtung nach der fünften Ausführungsform der Erfindung eine transparente Schutzschicht zwischen dem optischen Element und der Solarzelle aufweist;
17 eine schematische teilweise Draufsicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach der sechsten Ausführungsform der Erfindung;
18 eine perspektivische Ansicht eines in einer Photovoltaik-Vorrichtung nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung verwendbaren Spiegels, der einfach verspiegelt ist und um zwei senkrecht aufeinander verlaufende Drehachsen drehbar ist;
19 eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung mit mindestens einem auf der der Sonne zugewandten Seite einer quadratischen Solarzelle angebrachten optischen Element mit einfach verspiegelten Spiegeln, die jeweils um eine erste Drehachse und um eine zweite, auf der ersten Drehachse senkrechten und entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufende Drehachse drehbar sind, wobei die Positionierungen der Spiegel zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung im Winter und im Sommer dargestellt sind;
20 eine perspektivische Ansicht eines in einer Photovoltaik-Vorrichtung nach einer achten Ausführungsform der Erfindung verwendbaren dichroitishen Spiegels, der doppelt verspiegelt ist und um zwei senkrecht aufeinander verlaufende Drehachsen drehbar ist;
21 eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach einer achten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Photovoltaik-Vorrichtung mindestens ein auf der der Sonne zugewandten Seite einer zugeordneten quadratischen Solarzelle angebrachtes optisches Element mit dichroitischen Spiegeln aufweist, die jeweils doppelt verspiegelt sind, um eine erste Drehachse und um eine zweite, auf der ersten Drehachse senkrechten und parallel zu der Ost-West-Richtung verlaufenden Drehachse drehbar sind und zum Umlenken der einfallenden Sonnenstrahlung am Morgen positioniert sind; und
22 eine schematische teilweise Draufsicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung nach der achten Ausführungsform der Erfindung.
Die in der 1 in Schnittansicht teilweise dargestellte Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst mehrere optische Elemente 20 zum Bündeln der einfallenden Sonnenstrahlung 25 auf jeweils eine zugeordnete Solarzelle 40, die auf der der Sonne abgewandten Seite der optischen Elemente 20 auf einem Träger 45 angebracht sind. In der 1 ist nur ein einzelnes optisches Element 20 dargestellt. Das optische Element 20 weist mehrere Spiegel 30 auf, von denen in 1 nur drei Spiegel 30a, 30b und 30c dargestellt sind. Die Spiegel 30a, 30b und 30c sind jeweils auf einer ersten Fläche 35 verspiegelt, jeweils auf einer zweiten Fläche 36 nicht verspiegelt und nur um ihre ersten Drehachsen 50 drehbar. Die ersten Drehachsen 50 der Spiegel 30 sind parallel untereinander und können entlang der Nord-Süd-Richtung oder senkrecht auf der Ost-West-Richtung und unter einem vorbestimmten Winkel Nv gegenüber der Nord-Süd-Richtung geneigt verlaufen.
Die Schnittebene für die in der 1 dargestellte Schnittansicht der Photovoltaik-Vorrichtung 10 ist senkrecht auf die ersten Drehachsen 50 der Spiegel 30, verläuft durch die Solarzelle 40 und enthält die Mittelpunkte 51 der Spiegel 30. Bei der Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung sind Steuermittel zum Drehen der Spiegel 30 um ihre ersten Drehachsen 50 vorhanden, die für jeden Spiegel 30 jeweils eine erste Haltevorrichtung 60 umfassen. Die Siegel 30 sind mittels der ersten Haltevorrichtungen 60 um ihre ersten Drehachsen 50 jeweils um 360° drehbar.
Die ersten Haltevorrichtungen 60 können aus transparentem Material ausgebildet sein und sind auf einem transparenten Substrat 70 befestigt. Die Spiegel 30 sind in der 1 derart positioniert, dass sie die am Morgen einfallende Sonnenstrahlung 25 auf die zugeordnete, rechteckige Solarzelle 40 jeweils umlenken. Die Solarzelle 40 ist so angeordnet, dass ihre Länge parallel zu der ersten Drehachsen 50 der Spiegel 30 ist und ihre Breite entlang der Ost-West-Richtung verläuft.
Beispielsweise ist der Sonnenstand am Morgen nach Osten gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 verschoben und die einfallende Sonnenstrahlung 25 trifft am Morgen vom Osten auf die verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30a auf.
In der 1a ist eine Schnittansicht durch eine in der Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendbare erste Haltevorrichtung 60 dargestellt. Die Schnittebene für die in der 1a dargestellte Schnittansicht der ersten Haltevorrichtung 60 ist senkrecht auf der Ost-West-Richtung und enthält die erste Drehachse 50 der Spiegel 30.
Die erste Haltevorrichtung 60 weist zwei Stützelemente 75, die gleichlang sind und senkrecht auf dem Substrat 70 angeordnet sind. Die erste Haltevorrichtung 60 umfasst weiterhin ein zylinderförmiges Trägerelement 80, der senkrecht auf die Stützelemente 75 angeordnet ist und von einem ersten rohrförmigen Drehelement 90 teilweise umgeben ist. Das rohrförmige Drehelement 90 ist hier auf der nicht verspiegelten Fläche 36 des Spiegels 30 angebracht. Das erste Drehelement 90 kann dann durch seine Drehung um das Trägerelement 80 eine 360°-Drehung der Spiegel 30 um ihre erste Drehachse 50 in einfacher Weise generieren.
In der 1b ist eine weitere Schnittansicht durch eine in der Photovoltaik-Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendbare erste Haltevorrichtung 60 dargestellt. Die Schnittebene für die in der 1b dargestellte Schnittansicht der ersten Haltevorrichtung 60 ist senkrecht auf der ersten Drehachse 50 der Spiegel 30 und enthält den Mittelpunkt 51 des Spiegels 30.
In der 1b sind auch die Projektionen des zylinderförmigen Trägerelements 80 und des ersten rohrförmigen Drehelements 90 in der Schnittebene der 1b eingezeichnet. Das erste Drehelement 90 ist an der Rückseite 36 des Spiegels 30 angebracht. Gestrichelt eingezeichnet ist auch die Projektion der Stützelemente 75 in dieser Schnittebene.
In der 2 ist die gleiche Photovoltaik-Vorrichtung 10 wie in der 1 dargestellt mit dem Unterschied, dass die Spiegel 30a, 30b und 30c derart positioniert sind, dass sie die am Mittag einfallende Sonnenstrahlung 25 auf die Solarzelle 40 bündeln. Die Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 ist gegenüber der Ost-West-Richtung unter einem Winkel Pa nach Osten geneigt.
Beispielsweise ist der Sonnenstand am Mittag nach Westen gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 verschoben und die einfallende Sonnenstrahlung 25 trifft am Mittag vom Westen auf die verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30a auf.
In der 3 ist die gleiche Photovoltaik-Vorrichtung wie in der 1 dargestellt mit dem Unterschied, dass die Spiegel 30a, 30b und 30c derart positioniert sind, dass sie die am Abend einfallende Sonnenstrahlung 25 auf die Solarzelle 40 bündeln. Anders als in der 1, ist der Spiegel 30a nach Westen gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelpunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 geneigt.
Beispielsweise ist der Sonnenstand am Abend nach Westen gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 verschoben und die einfallende Sonnenstrahlung 25 trifft am Abend vom Westen auf die verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30a auf.
Aus den 1, 2 und 3 ist es ersichtlich, dass z. B. der einfach verspiegelte Spiegel 30a vom Morgen bis zum Abend eine Drehung um mindestens 180° um ihre erste Drehachse 50 durchführen muss, damit er 30a die sowohl vom Osten als auch vom Westen einfallende Sonnenstrahlung 25 mittels seiner einzelnen verspiegelten Fläche 35 durch Reflektion auf die Solarzelle 40 umlenken kann.
Aus den 1, 2 und 3 ist es auch ersichtlich, dass z. B. der Spiegel 30a um weitere 90°, also insgesamt um 270° um seine erste Drehachse 50 drehbar sein muss, damit seine Positionierung an die Änderung der Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung 25 vom Morgen bis zum Abend angepasst werden kann.
In 4a sind die stark schematisierte Projektionen der in der Photovoltaik-Vorrichtung 10 aus der 2 vorkommenden Strahlengänge im Sommer 25S und im Winter 25W während der Mittagszeit in einer Teilebene dargestellt, die senkrecht auf der Ost-West-Richtung ist und die erste, parallel zu der Nord-Süd-Richtung verlaufende Drehachse 50 des Spiegels 30a enthält.
Der Spiegel 30a kann mittels der ihm zugeordneten ersten Haltevorrichtung 60 (nicht dargestellt) nur um seine erste Drehachse 50 um 360° gedreht werden.
Dabei ist die Photovoltaik-Vorrichtung 10 in Mitteldeutschland aufgestellt. In Mitteldeutschland fällt die Sonnenstrahlung im Sommer vom Süden unter einem Winkel von etwa 63,5° und im Winter von Süden unter einem Winkel von etwa 16,5° gegenüber der Nord-Süd-Richtung ein. Das bedeutet, dass in Mitteldeutschland die Projektion der im Sommer einfallenden Sonnenstrahlung in der auf der Ost-West-Richtung senkrechten Teilebene aus der 4a einen Winkel ES von etwa 26,5° vom Süden mit einer auf der Nord-Süd- und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Gerade 28 bildet und die Projektion der im Winter einfallenden Sonnenstrahlung 25W in der der auf der Ost-West-Richtung senkrechten Teilebene aus der 4a einen Winkel EW von etwa 73,5° vom Süden mit einer auf der Nord-Süd- und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Gerade 28 bildet. Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung 10 kann ein optisches Element 20 mit mehreren rechteckigen Spiegeln 30 umfassen, die eine Ausdehnung entlang der Nord-Süd-Richtung haben, die wesentlich kleiner als eine Ausdehnung des optischen Elements 20 in der Nord-Süd-Richtung oder gleich mit der Ausdehnung des optischen Elements 20 in der Nord-Süd-Richtung ist.
Der Einfachheit halber ist in der 4a ein Spiegel 30 dargestellt, die eine Ausdehnung L in der Nord-Süd-Richtung aufweist, die mit der entsprechenden Ausdehnung L des zugeordneten optischen Elements 20 gleich ist. Dabei ist der Spiegel 30a rechteckig und hat eine Länge L, die viel größer als seine Breite ist.
Aus der 4a ist es ersichtlich, dass für optische Elemente 20 mit einachsig drehbaren Spiegeln 30 wie z. B. dem Spiegel 30a, eine rechteckige Solarzelle 40 zu verwenden ist, deren Länge entlang der Nord-Süd-Richtung verläuft, die nach Norden um einer Verschiebung V gegenüber dem zugeordneten optischen Elements 20 verschoben angebracht ist und eine Länge LS aufweist, die um einen Längenunterschied LU größer als die Ausdehnung L des optischen Elements 40 in der Nord-Süd-Richtung ist.
Die Projektion der von dem Spiegel 30 reflektierten, im Sommer einfallenden Sonnenstrahlung 25S in der auf der Ost-West-Richtung senkrechten Teilebene aus der 4a bildet einen Winkel RS mit einer auf der Nord-Süd- und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Gerade 28. Die Projektion der von dem Spiegel 30 reflektierten, im Winter einfallenden Sonnenstrahlung 25W in der auf der Ost-West-Richtung senkrechten Teilebene aus der 4a bildet einen Winkel RW mit einer auf der Nord-Süd- und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Gerade 28.
Zwischen den Winkeln ES bzw. EW und den Winkeln RS bzw. RW besteht die in den Gleichungen (1) und (2) angegebene mathematische Relationen: tan(RS) = (tan(ES))/sin(Pa), (1) und tan(RW) = (tan(EW))/sin(Pa), (2)
Dabei wird der Winkel Pa von der Projektion der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 in einer auf der Nord-Süd-Richtung senkrechten Ebene mit der Ost-West-Richtung gebildet (siehe dazu 2).
Da |sin(Pa) < 1| ist und die Tangente eines Winkels eine monoton wachsende Funktion ist, sind die Winkel RS bzw. RW jeweils größer als die entsprechenden Winkel ES, EW.
Zwischen der nördlichen Verschiebung V der Solarzelle 40 und der Länge L des optischen Elements besteht die in der Gleichung (3) angegebene mathematische Relation: V = d·(tan(ES))/sin(Pa) (3)
In der Gleichung (3) ist d der minimale Abstand zwischen dem Mittelpunkt 51 des Spiegels 30a und der Nord-Süd-Richtung in der auf der Ost-West-Richtung senkrechten Teilebene aus der 4a. Dabei ist die Ausdehnung L des optischen Elements 20 in der Nord-Süd-Richtung wesentlich größer als dieser minimale Abstand d.
Zwischen der Länge LS der Solarzelle 40 und der Ausdehnung L des Spiegels 30a bzw. des zugeordneten optischen Elements 20 entlang der Nord-Süd-Richtung besteht die in der Relation (4) angegebene mathematische Beziehung: LS = L + LU = d·(tan(EW) – tan(ES))/sin(Pa) (4)
Ein Minimum der Länge LS wird erreicht, wenn die Winkel ES und EW jeweils 24° betragen. Das ist nur möglich wenn die erste Drehachse 50 des Spiegels 30a senkrecht auf der Winkelhalbierende 29 des Winkels E verläuft, der zwischen den Projektionen der Einfallsrichtungen der Sonnenstrahlung 25 im Sommer und im Winter in der auf der Ost-West-Richtung senkrechten Teilebene aus der 4a gebildet wird und etwa 48° beträgt.
In der 4b sind die Projektionen der Strahlengänge der im Sommer 25S und im Winter einfallenden Sonnenstrahlung 25W für den gleichen Spiegel 30a in der gleichen Teilebene wie in der 4a mit dem Unterschied dargestellt, dass die erste Drehachse 50 des Spiegels 30a senkrecht auf der Winkelhalbierenden 29 des Winkels E verläuft, der von den Projektionen der im Sommer 25S und im Winter einfallenden Sonnenstrahlung 25W in der auf der Ost-West-Richtung senkrechten Teilebene aus der 4b gebildet wird und etwa 48° beträgt. Dabei ist die erste Drehachse 50 des Spiegels 30a nach Süden gegenüber der Nord-Süd-Richtung geneigt und bildet mit der Nord-Süd-Richtung einen vorbestimmten Winkel Nv von etwa 49,5°. In der 4b ist die Solarzelle 40 mit ihrer Länge L entlang der Nord-Süd-Richtung angeordnet, symmetrisch und nicht verschoben gegenüber dem zugeordneten optischen Element 20 positioniert und weist eine minimale Länge LS auf.
In der 5a ist eine Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in Schnittansicht teilweise dargestellt, die zusätzlich zu der Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung eine Schutzschicht 100 zum Schutzen der Solarzelle 40 vor Umwelteinflüsse aufweist, die 100 an der der Sonne zugewandten Seite der rechteckigen Solarzelle 40 angebracht ist und an der der Sonne abgewandten Seite des transparenten Substrats 70 angrenzt.
Dabei ist die Schnittebene senkrecht auf der Ost-West-Richtung und verläuft durch die Solarzelle 40. Die hier schematisiert eingezeichnete Spiegel 30 des optischen Elements 20 sind nur um ihre ersten, parallel zu der Nord-Süd-Richtung verlaufenden Drehachsen 50 drehbar. An der der Sonne zugewandten Seite des Substrats 70 kann eine transparente Lichteintrittsplatte 110 zum Schützen der Spiegel 30 vor Umwelteinflüsse vorhanden sein.
Die Solarzelle 40 ist hier mit ihrer Länge entlang der Nord-Süd-Richtung angeordnet und gegenüber dem optischen Elements nach Norden verschoben aufgestellt. Die Länge der Solarzelle 40 ist größer als die Ausdehnung des optischen Elements 20 entlang der Nord-Süd-Richtung.
In der 5b ist wie in der 5a die Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung in Schnittansicht teilweise dargestellt. Die Schnittebene ist die gleiche wie in der 5a. Anders als bei der 5a, ist die in der 5b dargestellten Photovoltaik-Vorrichtung 10 so aufgestellt, dass die ersten Drehachsen 50 der Spiegel 30 senkrecht auf der Winkelhalbierende 29 des Winkels E ist, der zwischen den Projektionen der Einfallsrichtungen der Sonnenstrahlung im Sommer 25S und im Winter 25W in der Schnittebene aus der 4b gebildet wird und etwa 48° beträgt. Folglich sind die die ersten Drehachsen 50 der Spiegel 30 nach Süden gegenüber der Nord-Süd-Richtung geneigt und bilden einen vorbestimmten Winkel Nv von etwa 49,5° mit der Nord-Süd-Richtung.
Die Solarzelle 40 ist hier mit ihrer Länge entlang einer zu der ersten Drehachsen 50 der Spiegel 30 parallelen Richtung angeordnet und gegenüber dem optischen Element 20 symmetrisch aufgestellt. Die Länge der Solarzelle 40 ist auch hier größer als die Ausdehnung des optischen Elements 20 entlang einer zu den ersten Drehachsen 50 der Spiegel 30 parallelen Richtung.
In der 6a ist eine stark schematisierte teilweise Draufsicht der Photovoltaik-Vorrichtung 10 aus 5a dargestellt. Die Darstellungsebene ist parallel zu einer die Nord-Süd- und die Ost-West-Richtung enthaltenden Ebene.
In der 6b ist eine stark schematisierte teilweise Draufsicht der Photovoltaik-Vorrichtung 10 aus 5b dargestellt. Die Darstellungsebene ist parallel zu einer die ersten Drehachsen 50 der Spiegel 30 der optischen Elementen 20 und die Ost-West-Richtung enthaltenden Ebene. Die Darstellungsebene aus 6b ist gegenüber der Nord-Süd-Richtung nach Süden geneigt und bildet mit der Nord-Süd-Richtung einen Winkel Na von 49,5°.
In der 7a ist eine stark schematisierte Schnittansicht durch einen in einer Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der ersten oder nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendbaren Spiegel 30 dargestellt. Die Schnittebene ist senkrecht auf der ersten Drehachse 50 der Spiegel 30 und enthält den Mittelpunkt 51 dieses Spiegels 30. Gestrichelt eingezeichnet ist eine stark schematisierte Projektion der zu dem Spiegel 30 zugeordneten erste Haltevorrichtung 60. Der Spiegel 30 bildet eine erste Elektrode 120 und ist mit z. B. einer ersten positiven Ladung aufgeladen. Auf dem Substrat 70 sind eine zweite 130 und eine dritte Elektrode 140 angebracht, die parallel zueinander verlaufen, senkrecht auf der Ost-West-Richtung sind und jeweils die maximale Projektionsfläche des Spiegels 30, auf dem Substrat 70 überlappen. Die zweite Elektrode 130 ist mit einer zweiten negativen Ladung aufgeladen und die dritte Elektrode 140 ist mit einer dritten negativen Ladung aufgeladen, die mit der zweiten Ladung gleich ist. In diesem Fall ist das gesamte Drehmoment, das auf den Spiegel 30 wegen des Gewichtes des Spiegels 30 und wegen der elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen der ersten 120 und der zweiten Elektrode 130 und zwischen der ersten 120 und der dritten Elektrode einwirkt, gleich Null. Der Spiegel 30 aus der 7a befindet sich in einem stabilen Gleichgewichtszustand. Wenn alle drei Elektroden 120, 130 und 140 unaufgeladen sind, befindet sich der Spiegel 30 auch im Gleichgewicht.
In der 7b ist der Spiegel 30 aus der 7a dargestellt, mit dem Unterschied, dass die dritte Elektrode 140 mit einer dritten positiven Ladung aufgeladen ist. Das gesamte Drehmoment, das wegen der elektrostatischen Kräfte auf den Spiegel 30 einwirkt ist jetzt positiv und verursacht eine Drehung des Spiegels 30 um seine erste Drehachse 50, die in 7b gegen den Urzeigersinn verläuft. In der 7b ist mit gestrichelter Linie auch der Spiegel 30 nach einer Drehung um einen Winkel W1 um seine erste Drehachse 50 dargestellt.
In der 7c ist der Spiegel 30 aus der 7b dargestellt, mit dem Unterschied, dass die dritte Elektrode 140 mit einer dritten negativen Ladung aufgeladen ist. Dabei ist die dritte Ladung so ausgewählt, dass ihr Betrag größer als der Betrag der zweiten Ladung ist und, dass das gesamte Drehmoment, das auf den Spiegel 30 einwirkt, gleich Null ist. Der um den Winkel W1 um seine erste Drehachse 50 gegen den Uhrzeigersinn gedrehte Spiegel 30 kann so in einfacher Weise in dieser Position im Gleichgewicht gehalten werden.
In der 7d ist der Spiegel 30 aus der 7a dargestellt, mit dem Unterschied, dass die zweite Elektrode 130 mit einer zweiten positiven Ladung aufgeladen ist. Das gesamte Drehmoment, das auf den Spiegel 30 einwirkt, ist jetzt negativ und verursacht eine Drehung des Spiegels 30 um seine erste Drehachse 50, die in der 7c im Urzeigersinn verläuft. In der 7c ist mit gestrichelter Linie auch der Spiegel 30 nach einer Drehung um einen Winkel W2 um seine erste Drehachse 50 dargestellt.
Aus den 7a bis 7d ist es ersichtlich, dass durch das Aufladen der zweiten Elektrode 130 und/oder der dritten Elektrode 140 mit unterschiedlichen Ladungen eine 360°-Drehung des Spiegels 30 um seine erste Drehachse 50 generiert werden kann und, dass der Spiegel 30 dadurch auch in unterschiedlichen Positionen im Gleichgewicht gehalten werden kann.
Die in der 8 dargestellte Photovoltaik-Vorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Photovoltaik Vorrichtung 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung, die in der 1 dargestellt ist, dadurch dass die Spiegel 30a, 30b, 30c jeweils zwei parallel zueinander verlaufende verspiegelte Flächen 35 aufweisen. Außerdem sind die ersten Haltevorrichtungen 61, mittels derer die Spiegel 30a, 30b, 30c um ihre ersten Drehachsen 50 drehbar sind, anders als die ersten Haltevorrichtungen 60 aus der 1 aufgebaut. Der genaue Aufbau dieser ersten Haltevorrichtungen 61 wird in den 8a und 8b beschrieben.
Die Spiegel 30 sind in der 8 derart positioniert, dass sie die am Morgen einfallende Sonnenstrahlung 25 auf die zugeordnete, rechteckige Solarzelle 40 jeweils bündeln.
Beispielsweise ist auch hier der Sonnenstand am Morgen nach Osten gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 verschoben und die einfallende Sonnenstrahlung 25 trifft am Morgen vom Osten auf eine erste verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30a auf.
Wie in der 8a dargestellt, umfasst eine erste Haltevorrichtung 61, die in der Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der dritten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, zwei Stützelemente 75, die gleichlang sind und senkrecht auf dem transparentem Substrat 70 angeordnet sind. Die erste Haltevorrichtung 61 umfasst weiterhin zwei zylinderförmige Trägerelemente 81, die jeweils senkrecht auf einen Stützelement 75 angeordnet sind und jeweils von einem ersten rohrförmigen Drehelement 91 teilweise umgeben sind. Die rohrförmigen Drehelemente 91 verlaufen jeweils entlang der ersten Drehachse 50 des Spiegels 30 und sind jeweils an dem äußeren Rand des Spiegels 30 befestigt. Die ersten Drehelemente 91 können dann durch ihre Drehungen um die zugeordneten Trägerelemente 81 eine 360°-Drehung des Spiegels 30 um ihre erste Drehachse 50 in einfacher Weise generieren.
In der 8b ist eine weitere Schnittansicht durch eine in der Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der dritten Ausführungsform der Erfindung verwendbare erste Haltevorrichtung 61 dargestellt. Die Schnittebene für die in der 8b dargestellte Schnittansicht der ersten Haltevorrichtung 61 ist senkrecht auf der ersten Drehachse 50 des Spiegels 30 und enthält den Mittelpunkt 51 dieses Spiegels 30. In der 8b sind auch die Projektionen der zylinderförmigen Trägerelemente 81 und der rohrförmigen zweiten Drehelemente 91 in der Schnittebene aus der 8b gestrichelt eingezeichnet, wobei die zweiten Drehelemente 91 jeweils entlang der ersten Drehachse 50 des Spiegels 30verlaufen und an dem äußeren Rand dieses Spiegels 30 befestigt sind. Gestrichelt eingezeichnet ist auch die Projektion der Stützelemente 75 in dieser Schnittebene.
In der 9 ist die gleiche Photovoltaik-Vorrichtung 10 wie in der 8 dargestellt mit dem Unterschied, dass die Spiegel 30a, 30b und 30c derart positioniert sind, dass sie die am Mittag einfallende Sonnenstrahlung 25 auf die Solarzelle 40 bündeln. Die Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 ist gegenüber der Ost-West-Richtung unter einem Winkel Pa nach Osten geneigt.
Beispielsweise ist der Sonnenstand am Mittag nach Westen gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 verschoben. Die einfallende Sonnenstrahlung 25 trifft dann am Mittag vom Westen auf eine zweite verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30a auf.
In der 10 ist die gleiche Photovoltaik-Vorrichtung 10 wie in der 8 dargestellt mit dem Unterschied, dass die Spiegel 30a, 30b und 30c derart positioniert sind, dass sie die am Abend einfallende Sonnenstrahlung auf die Solarzelle 40 bündeln.
Beispielsweise ist der Sonnenstand am Abend nach Westen gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 verschoben. Die einfallende Sonnenstrahlung 25 trifft dann am Abend vom Westen auf die zweite verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30a auf.
Aus den 8, 9 und 10 ist es ersichtlich, dass z. B. der doppelt verspiegelte Spiegel 30a die vom Osten am Morgen als auch vom Westen, am Mittag und am Abend einfallende Sonnenstrahlung 25 mittels seiner zwei verspiegelten Flächen 35 auf die Solarzelle 40 umlenken kann, ohne eine Drehung um 180° um seine erste Drehachse 50 durchführen zu müssen. Der Spiegel 30a muss um mindestens 90° um seine erste Drehachse 50 drehbar sein, damit seine Positionierung an die Änderung der Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung 25 vom Morgen bis zum Abend angepasst werden kann und er 30 die einfallende Sonnenstrahlung 25 vom Morgen bis zum Abend auf die Solarzelle 40 umlenken kann.
Die in der 11 dargestellte Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Photovoltaik Vorrichtung 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass das optische Element 20 auf der der Sonne abgewanden Seite der rechteckigen, an einem transparentem Träger 46 angebrachten Solarzelle 40 angeordnet ist und dichroitische Spiegel 31a, 31b und 31c aufweist. Die dichroitischen Spiegel 31 sind auch einfach verspiegelt. Die Drehung der Spiegel 31 um ihre ersten Drehachsen 50 erfolgt auch hier mittels der ersten Haltevorrichtungen 60.
Die dichroitischen Spiegel 31 lenken die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 im Strom umwandelbaren Spektralbereicht 26 durch Reflektion auf die Solarzelle 40 um und lassen die Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 nicht in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 27 durch. Dadurch wird nur Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 26 auf die Solarzelle 40 gebündelt und die Solarzelle 40 kann durch die Wechselwirkung mit der restlichen Sonnenstrahlung 27 nicht erhitzt werden.
Darüber hinaus können die Spiegel 31 des optischen Elements 20 auf einem Substrat 71 aus nicht transparentem Material angebracht sein.
Die dichroitischen Spiegel 31 sind in der 11 so positioniert, dass sie 31 die am Morgen einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 26 auf die Solarzelle 40 reflektieren.
Beispielsweise ist der Sonnenstand am Morgen nach Osten gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 31a und der Solarzelle 40 verschoben und die einfallende Sonnenstrahlung 25 trifft am Morgen vom Osten auf die erste verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30a auf.
In der 12 ist die gleiche Photovoltaik-Vorrichtung 10 wie in der 11 dargestellt mit dem Unterschied, dass die Spiegel 31a, 31b und 31c derart positioniert sind, dass sie die die am Mittag einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 26 auf die Solarzelle 40 reflektieren.
Beispielsweise ist der Sonnenstand am Mittag nach Osten gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 30a und der Solarzelle 40 verschoben und die einfallende Sonnenstrahlung 25 trifft am Mittag vom Osten auf die verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 31a auf.
In der 13 ist die gleiche Photovoltaik-Vorrichtung 10 wie in der 11 dargestellt mit dem Unterschied, dass die Spiegel 31a, 31b und 31c derart positioniert sind, dass sie die am Abend einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 26 auf die Solarzelle 40 bündeln.
Beispielsweise ist der Sonnenstand am Abend nach Westen gegenüber der Verbindungslinie 25a zwischen dem Mittelspunkt 51 des Spiegels 31a und der Solarzelle 40 verschoben. Die einfallende Sonnenstrahlung 25 trifft dann am Abend vom Westen auf die verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 31a auf.
Aus den 11, 12 und 13 ist es ersichtlich, dass z. B. für den einfach verspiegelten Spiegel 31a eine Drehung um mindestens 90° um seine erste Drehachse 50 ausreichend ist, damit er 31a mittels seiner einzigen verspiegelten Fläche 35 die sowohl vom Osten als auch vom Westen einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 26 auf die Solarzelle 40 reflektieren kann. Die sonstige Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 in Strom nicht umwandelbaren Frequenzspektrum 27 wird von dem dichroitischen Spiegel 31a immer durchgelassen.
In der 14 ist eine perspektivische Ansicht eines Spiegels 30, der einfach verspiegelt, um eine erste Drehachse 50 und um eine zweite Drehachse 150 drehbar ist, wobei die zweite Drehachsen 150 senkrecht auf der ersten Drehachse 50 verläuft. Der Spiegel 30 wird dabei um ihre erste Drehachse 50 mittels einer ersten Haltevorrichtung 62 und mittels einer zweiten Haltevorrichtung 151 um ihre zweite Drehachse 150 gedreht.
Die erste Haltevorrichtung 62 umfasst einen Rahmen 160 mit einer Fläche, die größer als die Fläche des Spiegels 30 ist. Weiterhin umfasst die erste Haltevorrichtung 62 ein zylindrisches Trägerelement 80, das an seinen beiden Enden an dem Rahmen 160 befestigt ist und entlang der ersten Drehachse 50 des Spiegels 30 verläuft, der auf seiner nicht verspiegelte Rückseite 36 ein rohrförmiges erstes Drehelement 90 aufweist, das das Trägerelement 80 umgibt.
Die zweite Haltevorrichtung 151 umfasst zwei gleichlange und senkrecht auf einem transparenten Substrat 70 angeordnete Stützelemente 75, die an ihren den Substrat abgewandten Enden jeweils mit einem zylinderförmigen Verbindungselement 170 verbunden sind. Die zwei Verbindungselemente 170 sind entlang der Verbindungsstrecke zwischen den dem Substrat 70 abgewandten Enden der Stützelemente 75 angeordnet. Die Verbindungsstrecke zwischen den dem Substrat 70 abgewandten Enden der Stützelemente 75 verläuft dabei entlang der zweiten Drehachse 150 des Spiegels 30. Die zwei Verbindungselemente 170 sind jeweils von einem zweiten rohrförmiges Drehelement 180 umgeben. Dabei sind die zweiten Drehelemente 180 jeweils an dem Rahmen 160 angebracht und verlaufen entlang der zweiten Drehachse 151 des Spiegels 30.
In der 15 ist eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Photovoltaik-Vorrichtung 10 umfasst mindestens ein auf der der Sonne abgewandten Seite einer zugeordneten rechteckigen Solarzelle 40 angebrachtes optisches Element 20 mit mehreren einfach verspiegelten Spiegeln 30, die jeweils um zwei senkrecht aufeinander verlaufenden Drehachsen 50, 150 drehbar sind und wie der Spiegel 30 aus 14 aufgebaut sind. Dabei ist die Photovoltaik-Vorrichtung 10 so aufgestellt, dass die zweiten Drehachsen 150 der Spiegel 30 jeweils parallel zu der Ost-West-Richtung verlaufen. Die Solarzelle 40 ist so angeordnet, dass ihre Länge parallel zu den ersten Drehachsen 50 der Spiegel 30 und ihre Breite parallel zu der Ost-West-Richtung verlaufen. Da die Spiegel 30 jeweils um zwei Drehachsen 50, 150 drehbar sind, weist die Solarzelle 40 eine Länge auf, die mit der Ausdehnung des optischen Elements 20 in einer zu den ersten Drehachsen 50 parallelen Richtung gleich ist. Auch kann die Solarzelle 40 eine Länge aufweisen, die kleiner als die Ausdehnung des optischen Elements 20 in einer zu den ersten Drehachsen 50 parallelen Richtung ist.
Die Schnittebene aus der 15 ist senkrecht auf der Nord-Süd-Richtung, enthält die zweiten Drehachsen 150 der Spiegel 30, verläuft durch die Solarzelle 40 und enthält die Mittelspunkte 51 der Spiegel 30.
In der Photovoltaik-Vorrichtung 10 aus der 15 sind die Spiegel 30 so positioniert, dass sie die einfallende Sonnenstrahlung 25 am Mittag auf die Solarzelle 40 umlenken.
Die Projektionen der ersten Haltevorrichtungen 62 der Spiegel 30, insbesondere auch die Projektionen der von der ersten Haltevorrichtungen 62 der Spiegel 30 jeweils umfassten Rahmen 160 in der Schnittebene aus der 15 sind gestrichelt eingezeichnet. In der 15 sind auch die zweiten Haltevorrichtungen 151 dargestellt, mittels derer die Spiegel 30 jeweils um ihre zweiten Drehachsen 150 drehbar sind.
Die in einer Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der fünften Ausführungsform der Erfindung verwendeten einfach verspiegelten Spiegel 30 müssen jeweils um mindestens 90° um ihre ersten Drehachsen und jeweils um mindestens 24° um ihre zweiten Drehachsen 150 drehbar sein, damit sie 30 ganzjährig die vom Morgen bis zum Abend einfallende Sonnenstrahlung 25 auf die zugeordnete Solarzelle 40 bündeln können.
In der 16 ist eine Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung in Schnittansicht teilweise dargestellt, die zusätzlich zu der Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der fünften Ausführungsform der Erfindung eine Schutzschicht 100 zum Schutzen der rechteckigen Solarzelle 40 vor Umwelteinflüsse aufweist, die 100 an der der Sonne abgewandten Seite der Solarzelle 40 angebracht ist und an der der Sonne zugewandten Seite des optischen Elements 20 angrenzt.
Die Schnittebene aus der 16 ist senkrecht auf der Ost-West-Richtung und verläuft durch die Solarzelle 40. Die hier stark schematisiert dargestellten einfach verspiegelten Spiegel 30 des optischen Elements 20 sind um ihre zwei senkrecht aufeinander verlaufenden Drehachsen 50, 150 drehbar. Die zweiten Drehachsen 150 verlaufen entlang der Ost-West-Richtung. Die Solarzelle 40 ist hier mit ihrer Länge entlang der Nord-Süd-Richtung angeordnet und symmetrisch gegenüber dem optischen Elements 20 aufgestellt. Die Länge der Solarzelle ist gleich mit der Ausdehnung des optischen Elements 20 entlang der Nord-Süd-Richtung.
In der 17 ist eine stark schematisierte teilweise Draufsicht der Photovoltaik-Vorrichtung 10 aus der 16 dargestellt. Die Darstellungsebene ist parallel zu einer die Nord-Süd- und die Ost-West-Richtung enthaltenden Ebene.
In der 18 ist eine perspektivische Ansicht eines Spiegels 30, der einfach verspiegelt, um eine erste Drehachse 50 und um eine zweite Drehachse 150 drehbar ist, wobei die zweite Drehachse 150 senkrecht auf der ersten Drehachse 50 verläuft. Der Spiegel 30 wird dabei mittels einer ersten Haltevorrichtung 63 um ihre erste Drehachse 50 und mittels einer zweiten Haltevorrichtung 151 um ihre zweite Drehachse 150 gedreht.
Die erste Haltevorrichtung 63 umfasst einen Rahmen 160 mit einer Fläche, die größer als die Fläche des Spiegels 30 ist. Weiterhin umfasst die erste Haltevorrichtung 63 zwei zylindrische Trägerelemente 81, die jeweils an dem Rahmen 160 befestigt sind und entlang der ersten Drehachse 50 des Spiegels 30 verlaufen, der zwei rohrförmige erste Drehelemente 91 aufweist, die jeweils ein Trägerelement 81 umgeben, jeweils an einem ersten Ende an dem Außenrand des Spiegel 30 befestigt sind und jeweils entlang der ersten Drehachse 50 des Spiegels 30 verlaufen.
Die zweite Haltevorrichtung 151 des Spiegels 30 ist wie bei dem Spiegel 30 aus der 14 ausgebildet.
In der 19 ist eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die im Unterschied zu der Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der fünften Ausführungsform der Erfindung ein optisches Element 20 aufweist, das auf der der Sonne zugewandten Seite einer quadratischen Solarzelle 40 angebracht ist und Spiegel 30 umfasst, die jeweils wie der Spiegel 30 aus der 18 aufgebaut sind. Die Photovoltaik-Vorrichtung 10 ist hier so aufgestellt, dass die zweiten Drehachsen 150 der einfach verspiegelten Spiegel 30d, 30e, und 30f entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufen.
Die Schnittebene aus der 19 ist senkrecht auf der Ost-West-Richtung, enthält die zweiten Drehachsen 150 und die Mittelpunkte 51 der Spiegel 30d, 30e, 30f und verläuft durch die Solarzelle 40.
In der 19 sind mit kontinuierlichen Linien die Spiegel 30d, 30e und 30f in ihren Positionen zum Umlenken der im Sommer einfallenden Sonnenstrahlung 25S auf die Solarzelle 40 dargestellt. In der 19 sind mit gestrichelten Linien die Spiegel 30d, 30e, 30f auch in ihren Positionen zum Umlenken der im Winter einfallenden Sonnenstrahlung 25W auf die Solarzelle 40 dargestellt.
Bei dem Spiegel 30d ist der Winkel zwischen der Verbindungslinie 25a, die den Mittelpunkt 51 des Spiegels 30d mit der Solarzelle 40 verbindet, und der Winkelhalbierenden 29 des Winkels, der von den Projektionen der Einfallsrichtungen der Sonnenstrahlung im Sommer 25S und im Winter 25W in der Schnittebene aus der 19 gebildet wird, größer als 24°. Hier sind die Sonnenstände vom Sommer bis zum Winter nach Süden gegenüber der Verbindungslinie 25a verschoben. Das bedeutet, dass die einfallende Sonnenstrahlung 25 immer vom Süden auf die verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30d auftreffen muss, damit der Spiegel 30d die einfallende Sonnenstrahlung 25 ganzjährig auf die Solarzelle 40 umlenken kann. Dafür muss der Spiegel 30d um mindestens 24° um ihre erste Drehachse 50 drehbar sein. Damit der Spiegel 30d die einfallende Sonnenstrahlung 25 vom Morgen bis zum Abend auf die Solarzelle 40 umlenken kann, muss dieser Spiegel 30d außerdem um 90° um seine zweite Drehachse 150 drehbar sein.
Bei dem Spiegel 30e ist der Winkel zwischen der Verbindungslinie 25a, die den Mittelpunkt 51 des Spiegels 30d mit der Solarzelle 40 verbindet, und der Winkelhalbierenden 29 des Winkels, der von den Projektionen der Einfallsrichtungen der Sonnenstrahlung im Sommer 25S und im Winter 25W in der Schnittebene aus der 19 gebildet wird, kleiner als 24°. Hier sind der Sonnenstand im Sommer nach Norden und der Sonnenstand im Winter nach Süden gegenüber der Verbindungslinie 25a verschoben. Das bedeutet, dass die einfallende Sonnenstrahlung im Sommer 25S vom Norden und im Winter 25W vom Süden auf die verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30e auftreffen muss, damit der Spiegel 30e die einfallenden Sonnenstrahlung 25 ganzjährig auf die Solarzelle 40 umlenken kann. Dafür muss der Spiegel 30e um mindestens 180° um ihre erste Drehachse 50 drehbar sein. Damit der Spiegel 30e die gesamte Änderung der Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung vom Sommer 25S bis zum Winter 25S verfolgen kann, muss der Spiegel 30e um weitere 24°, also insgesamt um 204° um ihre erste Drehachse 50 drehbar sein. Damit der Spiegel 30e die einfallende Sonnenstrahlung 25 vom Morgen bis zum Abend auf die Solarzelle 40umlenken kann, muss dieser Spiegel 30e außerdem um 90° um seine zweite Drehachse 150 drehbar sein.
Bei dem Spiegel 30f ist der Winkel zwischen der Verbindungslinie 25a, die den Mittelpunkt 51 des Spiegels 30d mit der Solarzelle 40 verbindet, und der Winkelhalbierenden 29 des Winkels, der zwischen den Projektionen der Einfallsrichtungen der Sonnenstrahlung im Sommer 25S und im Winter 25W in der Schnittebene aus der 19 gebildet wird, größer als 24°. Hier sind die Sonnenstände vom Sommer bis zum Winter nach Norden gegenüber der Verbindungslinie 25a verschoben. Das bedeutet, dass die einfallende Sonnenstrahlung 25 immer vom Norden auf die verspiegelte Fläche 35 des Spiegels 30d auftreffen muss, damit der Spiegel die einfallende Sonnenstrahlung 25 ganzjährig auf die Solarzelle 40 umlenken kann. Dafür muss der Spiegel 30f um 24° um ihre erste Drehachse 50 drehbar sein. Damit der Spiegel 30f die einfallende Sonnenstrahlung 25 vom Morgen bis zum Abend auf die Solarzelle 40 umlenken kann, muss dieser Spiegel 30f außerdem um 90° um seine zweite Drehachse 150 drehbar sein.
In der 20 ist eine perspektivische Ansicht eines dichroitischen Spiegels 31, der doppelt verspiegelt, um eine erste Drehachse 50 und um eine zweite Drehachse 150 drehbar ist, wobei die zweite Drehachse 150 senkrecht auf die erste Drehachse 50 verläuft. Der dichroitische Spiegel 31 wird dabei mittels einer ersten Haltevorrichtung 63 um ihre erste Drehachse 50 und mittels einer zweiten Haltevorrichtung 151 um ihre zweite Drehachse 150 gedreht.
Die erste Haltevorrichtung 63 des dichroitischen Spiegels 31 ist wie bei dem Spiegel 30 aus der 18 ausgebildet.
Die zweite Haltevorrichtung 151 der dichroitischen Spiegel 31 ist wie bei dem dichroitischen Spiegel 30 aus der 14 ausgebildet.
In der 21 ist eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach einer achten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Photovoltaik-Vorrichtung 10 umfasst mindestens ein optisches Element 20, das auf der der Sonne zugewandten Seite einer an einem Träger 45 angebrachten Solarzelle 40 vorhanden ist. Das optische Element 20 umfasst mehrere doppelt verspiegelte dichroitische Spiegel 31, die jeweils um zwei senkrecht aufeinander verlaufenden Drehachsen 50, 150 drehbar sind und wie der Spiegel 31 aus der 20 aufgebaut sind.
Dabei ist die Photovoltaik-Vorrichtung 10 so aufgebaut und aufgestellt, dass die zweiten Drehachsen 150 der dichroitischen Spiegel 31 jeweils parallel zu der Ost-West-Richtung verlaufen. Da die Spiegel 30 jeweils um zwei Drehachsen 50, 150 drehbar sind, kann eine Konzentration der einfallenden Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 26 sowohl in einer parallel zu der ersten Drehachsen 50 der dichroitischen Spiegel 31 verlaufenden Richtung als auch in einer parallel zu der zweiten Drehachsen 150 der dichroitischen Spiegel 31 verlaufenden Richtung erreicht werden. Deswegen kann hier eine quadratische Solarzelle 40 eingesetzt werden.
In der 21 ist die Schnittebene senkrecht auf der Nord-Süd-Richtung, enthält die zweiten Drehachsen 150 der dichroitischen Spiegel 31 und verläuft durch die Mittelpunkte 51 der dichroitischen Spiegel 31 und durch die Solarzelle 40.
In der Photovoltaik-Vorrichtung 10 aus der 21 sind die dichroitischen Spiegel 31 so positioniert, dass sie die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 26 am Morgen auf die Solarzelle 40 bündeln, sonstige Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 nicht in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 27 durchlassen und nicht auf die Solarzelle 40 bündeln. Dabei wird eine Überhitzung der Solarzelle 40 wegen Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 27 vermieden.
Gestrichelt eingezeichnet sind auch die Projektionen der ersten Haltevorrichtungen 63 der dichroitischen Spiegel 31 in der Schnittebene aus der 21.
Die in der Photovoltaik-Vorrichtung 10 nach der achten Ausführungsform der Erfindung verwendeten doppelt verspiegelten dichroitischen Spiegel 31 müssen um mindesten 90° um ihre ersten Drehachsen 50 und um mindestens 24° um ihre zweiten Drehachsen 150 drehbar sein, damit sie 31 die vom Morgen bis zum Abend einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle 40 in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum 26 ganzjährig auf die Solarzelle 40 bündeln können.
Die 22 ist eine stark schematisierte teilweise Draufsicht der Photovoltaik-Vorrichtung 10 aus 21. Die Darstellungsebene ist parallel zu einer die Nord-Süd- und die Ost-West-Richtung enthaltenden Ebene.
Bezugszeichenliste

10: Photovoltaik-Vorrichtung
20: optisches Element
25: einfallende Sonnenstrahlung
25W: im Winter einfallende Sonnenstrahlung
25S: im Sommer einfallende Sonnenstrahlung
25a: Verbindungslinie zwischen einem Spiegel und der Solarzelle
26: einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum
27: einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum
28: auf der Nord-Süd- und Ost-West-Richtung senkrechten Gerade
E: Winkel zwischen den Projektionen der Einfallsrichtungen der Sonnenstrahlung im Sommer und im Winter in einer auf der Ost-West-Richtung senkrechten Ebene
29: Winkelhalbierende des Winkels von etwa 48°, der von den Projektionen der Einfallsrichtungen der Sonnenstrahlung im Sommer und im Winter in einer auf der Ost-West-Richtung senkrechten Ebene gebildet wird
30, 30a bis 30f: Spiegel
31, 31a, 31b, 31c: dichroitische Spiegel
35: verspiegelte Oberflächen der Spiegel
36: nicht verspiegelte Oberflächen der Spiegel
40: Solarzelle
45: Solarzellenträger
46: transparenter Solarzellenträger
50: erste Drehachse
51: Spiegelmittelpunkt
60, 61, 62, 63: erste Haltevorrichtungen
70: transparentes Substrat
71: nicht transparentes Substrat
75: Stützelemente
80, 81: Trägerelemente
90, 91: erste Drehelemente
100: Schutzschicht
110: Lichteintrittsplatte
120: erste Elektrode
130: zweite Elektrode
140: dritte Elektrode
150: zweite Drehachsen der Spiegel
151: zweite Haltevorrichtungen
160: Rahmen
170: Verbindungselemente
180: zweite Drehelemente
ES: Winkel zwischen einer auf der Nord-Süd- und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Gerade und der Projektion der im Sommer einfallenden Sonnenstrahlung in einer auf der Ost-West-Richtung senkrechten Ebene
Ew: Winkel zwischen einer auf der Nord-Süd- und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Gerade und der Projektion der im Winter einfallenden Sonnenstrahlung in einer auf der Ost-West-Richtung senkrechten Ebene
V: Positionsverschiebung einer Solarzelle nach Norden
LS: Länge einer Solarzelle
L: Länge eines optischen Elements
LU: Längenunterschied zwischen der Länge einer Solarzelle und der Länge des zugeordneten optischen Elements
RS: Winkel zwischen einer auf der Nord-Süd- und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Gerade und der Projektion der von einem Spiegel reflektierten, im Sommer einfallenden Sonnenstrahlung in einer auf der Ost-West-Richtung senkrechten Ebene
Rw: Winkel zwischen einer auf der Nord-Süd- und auf der Ost-West-Richtung senkrechten Gerade und der Projektion der von einem Spiegel reflektierten, im Winter einfallenden Sonnenstrahlung in einer auf der Ost-West-Richtung senkrechten Ebene
Pa: Winkel zwischen der Projektion der Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt eines Spiegels und der zugeordneten Solarzelle in einer auf der Nord-Süd-Richtung senkrechten Ebene und der Ost-West-Richtung
d: minimaler Abstand zwischen dem Mittelpunkt eines Spiegels und der Nord-Süd-Richtung in einer auf der Ost-West-Richtung senkrechten Ebene
Nv: vorbestimmter Winkel zwischen der ersten Drehachse eines Spiegels und der Nord-Süd-Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10320663 A1 [0001, 0004]
- US 6618186 B2 [0055]

Claims

Photovoltaik-Vorrichtung (10) mit mindestens einer Solarzelle (40) und mindestens einem der Solarzelle (40) zugeordneten optischen Element (20) zum Bündeln der einfallenden Sonnenstrahlung (25, 25S, 25W) auf die Fläche der Solarzelle (40), die kleiner als eine Lichteintrittsfläche des optischen Elements (20) ist, das zur Nachführung an den Sonnenstand unabhängig von der Solarzelle (40) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (20) eine Vielzahl von Spiegeln (30, 30a, 30b, 30c) aufweist, die jeweils mindestens eine verspiegelte Fläche (35) aufwesen, um mindestens eine erste Drehachse (50) drehbar sind, und dass Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die ersten Drehachsen (50) vorgesehen sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (30, 30d, 30e, 30f) jeweils um eine auf der ersten Drehachse (50) senkrechten zweiten Drehachse (150) drehbar sind, dass Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die zweiten Drehachsen (150) vorgesehen sind und, dass die die ersten Drehachsen (50) der Spiegel (30) insbesondere parallel zueinander sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (30) jeweils um mindesten 90° oder um mindestens 270° um ihre ersten Drehachsen (50) drehbar sind und/oder, dass die Spiegel (30) jeweils um mindestens 24° um ihre zweiten Drehachsen (150) drehbar sind, oder dass die Spiegel (30) jeweils um mindesten 24° oder um mindestens 204° um ihre ersten Drehachsen (50) drehbar sind und um mindestens 90° um ihre zweiten Drehachsen (150) drehbar sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Drehachsen (50) der Spiegel (30) entlang der Nord-Süd-Richtung oder parallel mit einer Richtung verlaufen, die auf der Ost-West-Richtung senkrecht ist und gegenüber der Nord-Süd-Richtung unter einem vorbestimmten (Nv) oder unter einem variablen Neigungswinkel geneigt ist, insbesondere senkrecht auf der Ost-West-Richtung und auf einer Winkelhalbierenden (29) eines Winkels (E) ist, der zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung im Winter (25W) und der einfallenden Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung im Sommer (25S) gebildet ist, und/oder, dass die zweiten Drehachsen (150) entlang der Ost-West-Richtung verlaufen oder, dass die ersten Drehachsen (50) der Spiegel (30) parallel mit einer Richtung verlaufen, die auf der Nord-Süd-Richtung senkrecht ist und gegenüber der Ost-West-Richtung unter einem variablen Neigungswinkel geneigt ist, und dass die zweiten Drehachsen (150) der Spiegel (30) entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufen.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Drehachsen (50) die Spiegel (30) jeweils in zwei gleiche Teile teilen und/oder die zweiten Drehachsen (150) die Spiegel (30) jeweils in zwei gleiche Teile teilen und, dass die Spiegel (30) insbesondere derart angebracht sind, dass die auf einer eine Lichteintrittsfläche der zugeordneten Solarzelle (40) umfassenden Ebene senkrechten Verbindungslinien zwischen den Mittelpunkten (51) der Spiegel (30), vorzugsweise zwischen den Mittelpunkten (51) von benachbarten Spiegeln (30) und der die Lichteintrittsfläche der zugeordneten Solarzelle (40) umfassenden Ebene unterschiedliche Längen aufweisen.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die ersten Drehachsen (50) und/oder die Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die zweiten Drehachsen (150) die Drehung der Spiegel (30) durch elektrostatische Kräfte steuern.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (30) rechteckig, insbesondere quadratisch, vorzugsweise kreisförmig sind, und, dass die Spiegel (30) jeweils eine Fläche aufweisen, die insbesondere kleiner als die Fläche der zugeordneten Solarzelle (40) oder gleich mit der Fläche der zugeordneten Solarzelle ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (40) rechteckig, insbesondere quadratisch, vorzugsweise kreisförmig ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche des optischen Elements (20) rechteckig, insbesondere quadratisch, vorzugsweise kreisförmig ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach Anspruch 9 soweit diese auf den Anspruch 8 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge oder eine Breite einer rechteckigen Lichteintrittsfläche des optischen Elements (20) kleiner als oder gleich mit einer Länge der rechteckigen Solarzelle (40) ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach Anspruch 10 soweit diesen auf die Ansprüche 1 und 3 bis 9 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (40) entlang ihrer Länge oder Breite verschoben gegenüber dem optischen Element (20) angebracht ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 9 soweit diese auf den Anspruch 2 zurückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Lichteintrittsfläche des optischen Elements (20) in einer beliebigen ersten Richtung, größer als eine entsprechende Ausdehnung der Solarzelle (40) in einer zu der ersten Richtung parallelen zweiten Richtung ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (30) Mikrospiegel (30) sind, die jeweils eine Fläche aufweisen, die jeweils kleiner als 1 mm², insbesondere kleiner als 300 μm², vorzugsweise kleiner als 100 μm² ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel zum Steuer der Drehung der Mikrospiegel (30) um die ersten Drehachsen (50) mindestens eine erste MEMS-Steuervorrichtung umfassen.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel zum Steuer der Drehung der Mikrospiegel (30) um die zweiten Drehachsen (150) mindestens die erste und/oder mindestens eine zweite MEMS-Steuervorrichtung umfassen.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mikrospiegel (30) und mindestens eine erste MEMS-Steuervorrichtung und/oder mindestens eine zweite MEMS-Steuervorrichtung in einem gemeinsamen Chip eingebaut sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (30) mindestens eines optischen Elements (20) an einem gemeinsamen Substrat (70) oder Chip aus transparentem Material, insbesondere aus Kunststoff angebracht sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (20) auf der der Sonne abgewandte Seite der Solarzelle (40) angebracht ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach Anspruch 18 soweit diesen auf einen der Ansprüche 1 bis 16 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (30) mindestens eines optischen Elements (20) auf der der Sonne zugewandten Seite eines gemeinsamen Substrats (71) oder Chip aus nicht transparentem Material, insbesondere aus Halbleiterverbindungen, vorzugsweise aus Silizium und/oder Galliumarsenid angebracht sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermitteln zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die ersten Drehachsen (50) mindestens eine erste Haltevorrichtung (60) aufweisen, die zwei gleichlange und senkrecht auf dem Substrat (70, 71) angeordneten Stützelemente (75) und ein auf den Stützelementen (75) senkrecht angeordneten Trägerelement (80) umfasst, der die erste Drehachse (50) mindestens eines Spiegels (30) bildet, der mindestens ein erstes Drehelement (90) aufweist, das das Trägerelement (80) zumindest teilweise umgibt.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermitteln zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die ersten Drehachsen (50) mindestens eine erste Haltevorrichtung (61) aufweisen, die zwei gleichlange und senkrecht auf dem Substrat (70, 71) angeordneten Stützelemente (75) und zwei auf den Stützelementen (75) jeweils senkrecht angeordnete Trägerelemente (81) umfasst, die entlang der ersten Drehachse (50) mindestens eines Spiegels (30) angeordnet sind, der mindestens ein erstes Drehelement (91) aufweist, das die Trägerelemente (81) zumindest teilweise jeweils umgibt oder von den Trägerelementen (81) zumindest teilweise umgeben ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermitteln zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die ersten Drehachsen (50) mindestens eine erste Haltevorrichtung (62) aufweist, die einen Rahmen (160) und mindestens ein Trägerelement (80) umfasst, wobei der Rahmen (160) eine Fläche umrahmt, die größer als die Fläche mindestens eines Spiegels (30) ist, das Trägerelement (80) mit seinen beiden Enden an dem Rahmen (160) befestigt ist und die erste Drehachse (50) mindestens eines Spiegels (30) bildet, der mindestens ein erstes Drehelement (90) aufweist, das das Trägerelement (80) zumindest teilweise umgibt, und dass die Steuermitteln zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die zweiten Drehachsen (150) mindestens eine zweite Haltevorrichtung (151) mit zwei gleichlangen Stutzelementen (75) und zwei Verbindungselementen (170) aufweisen, wobei die Stützelemente (75) senkrecht auf dem Substrat (70, 71) angeordnet sind und an ihren dem Substrat (75) abgewandten Enden jeweils mit einem entlang der die zweite Drehachse (150) des Spiegels (30) bildende Verbindungsstrecke zwischen den dem Substrat (70, 71) abgewandten Enden der Stützelemente (75) angeordneten Verbindungselement (170) verbunden sind und wobei die Verbindungselemente (170) jeweils zumindest teilweise von einem zweiten, an dem Rahmen (160) angebrachten und entlang der zweiten Drehachse (151) des Spiegels (30) angeordneten Drehelement (180) umgeben sind oder jeweils zumindest teilweise einen zweiten, an dem Rahmen (160) angebrachten und entlang der zweiten Drehachse (150) des Spiegels (30) angeordneten Drehelement (180) umgeben.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermitteln zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die ersten Drehachsen (50) mindestens eine erste Haltevorrichtung (63) aufweisen, die einen Rahmen (160) und mindestens zwei Trägerelemente (81) umfasst, wobei der Rahmen (160) eine Fläche umrahmt, die größer als die Fläche mindestens eines Spiegels (30) ist, die Trägerelemente (81) jeweils an dem Rahmen (160) befestigt sind und entlang der ersten Drehachse (50) mindestens eines Spiegels (30) angeordnet sind, der mindestens ein erstes Drehelement (91) aufweist, das die Trägerelemente (81) zumindest teilweise jeweils umgibt oder von den Trägerelementen (81) jeweils zumindest teilweise umgeben ist, und dass die Steuermitteln zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die zweiten Drehachsen (150) mindestens eine zweite Haltevorrichtung (151) mit zwei gleichlangen Stützelementen (75) und zwei Verbindungselementen (170) aufweisen, wobei die Stützelemente (75) senkrecht auf dem Substrat (70, 71) anordnet sind und an ihren dem Substrat (70, 71) abgewandten Enden jeweils mit einem entlang der die zweite Drehachse (150) des Spiegels bildende Verbindungsstrecke zwischen den dem Substrat (70, 71) abgewandten Enden der Stützelemente (75) angeordneten Verbindungselement (170) verbunden sind und wobei die Verbindungselemente (170) jeweils zumindest teilweise ein zweites, an dem Rahmen (160) angebrachtes und entlang der zweiten Drehachse (150) des Spiegels (30) angeordnetes Drehelement (180) umgeben oder jeweils zumindest teilweise von einem zweiten, an dem Rahmen (160) angebrachten und entlang der zweiten Drehachse (150) des mindestens eines Spiegels (30) angeordneten Drehelement (180) umgeben sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Trägerelement (80, 81) und/oder mindestens ein erstes Drehelement (90, 91) und/oder mindestens ein Verbindungselement (170) und/oder mindestens ein zweites Drehelement (180) zylinder- oder rohrförmig ist/sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Haltevorrichtung (60, 61, 62, 63) und/oder mindestens eine zweite Haltevorrichtung (151) zumindest teilweise aus transparentem Material ausgebildet ist/sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drehelement (90, 91) an der Rückseite (36) des entsprechenden Spiegels (30) angebracht ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach Anspruch 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spiegel (30) mit zwei ersten Drehelementen (90, 91) vorhanden ist, die jeweils an einem ersten Ende an dem Außenrand des Spiegels (30) befestigt sind und entlang der ersten Drehachse (50) des Spiegels (30) angeordnet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spiegel (30) des optischen Elements (20) eine erste Elektrode (120) bildet und dass auf der maximalen Projektionsfläche des Spiegels (30) auf dem Substrat (70, 71) mindestens eine zweite Elektrode (130) und/oder mindestens eine dritte Elektrode (140) vorhanden ist/sind, die sich parallel zu der ersten Drehachse des Spiegels erstreckt/erstrecken, und dass zum Drehen des Spiegels (30) um die erste Drehachse (50) die erste Elektrode (120) mit einer ersten elektrischen Ladung, die zweite Elektrode (130) mit einer zweiten elektrischen Ladung und/oder die dritte Elektrode (140) mit einer dritten elektrischen Ladung aufladbar sind, wobei die erste und/oder die zweite und/oder die dritte Ladung/Ladungen variabel ist/sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach Anspruch 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spiegel (30) des optischen Elements (20) eine erste Elektrode (120) bildet und dass auf der maximalen Projektionsfläche des Spiegels (30) auf dem Substrat (70, 71) mindestens eine vierte und/oder mindestens eine fünfte Elektrode vorhanden ist/sind, die sich parallel zu der zweiten Drehachse (150) des Spiegels (30) erstreckt/erstrecken und, dass zum Drehen des Spiegels (30) um die zweite Drehachse (150) die erste Elektrode (120) mit einer ersten elektrischen Ladung, die vierte Elektrode mit einer vierten elektrischen Ladung und/oder die fünfte Elektrode mit einer fünften elektrischen Ladung aufladbar sind, wobei die erste und/oder die vierte und/oder die fünfte Ladung/Ladungen variabel ist/sind.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor zum Messen der Temperatur der Solarzelle (40) vorhanden ist, der zur Einstellung einer temperaturabhängigen Positionierung mindestens eines Spiegels (30) des optischen Elements (20) mit der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die ersten Drehachsen (50) und/oder mit der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel (30) um die zweiten Drehachsen (150) elektrisch gekoppelt ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spiegel (30) des optischen Elements (20) ein dichroitischer Spiegel (31) ist, der mindestens eine verspiegelte Fläche (35) aufweist und der die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle (40) in elektrischen Strom umwandelbaren Frequenzspektrum (26) auf die Solarzelle reflektiert und die sonstige Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle (40) nicht in elektrischen Strom umwandelbaren Frequenzspektrum (27) durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (40) an ihrer der dem optischen Element (20) zugewandten Seite von einer transparenten Schutzschicht (100) umhüllt ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die dem optischen Element (20) zugewandte Seite der transparenten Schicht (100) an das optische Element (20) angrenzt.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Sonne zugewandten Seite des optischen Elements (40) eine Lichteintrittsplatte (110) angebracht ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Sonne zugewandten Seite der Solarzelle (40) und insbesondere an der der Sonne zugewandten Seite des optischen Elements ein dichroitisches Filter angebracht ist, das die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum (26) durchlässt und die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Frequenzspektrum (27) reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (40) eine Dünnschichtsolarzelle ist.
Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (40) eine Solarzelle aus Halbleiterverbindungen, insbesondere eine Mehrfachsolarzelle, vorzugsweise eine Mikrosolarzelle ist.
Verfahren zur Nachführung mindestens eines optischen Elements (20) einer Photovoltaik-Vorrichtung (10) an den Sonnenstand, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 37 so positioniert wird, dass die ersten Drehachsen (50) der Spiegel (30, 31) entlang der Nord-Süd-Richtung oder parallel mit einer Richtung verlaufen, die auf der Ost-West-Richtung senkrecht ist und gegenüber der Nord-Süd-Richtung unter einem vorbestimmten Neigungswinkel (Nv) geneigt ist oder senkrecht auf der Ost-West-Richtung und senkrecht auf einer Winkelhalbierenden (29) eines Winkels (E) ist, der zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung im Winter (25W) und der einfallenden Sonnenstrahlung gegenüber der Nord-Süd-Richtung im Sommer (25S) gebildet ist, und dass die Spiegel (30, 31) des optischen Elements (20) mittels der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel (30, 31) um die ersten Drehachsen (50) entsprechend dem Sonnenstand derart gedreht werden, dass die Spiegel (30, 31) jeweils senkrecht auf einer Winkelhalbierende eines Winkels positioniert werden, der zwischen der senkrechten Projektion der auf den jeweiligen Spiegel (30, 31) auftreffenden Sonnenstrahlung (25) in einer auf der ersten Drehachse (50) des jeweiligen Spiegels (30, 31) senkrechten Projektionsebene, die insbesondere den Mittelpunkt (51) des jeweiligen Spiegels (30, 31) enthält, und einer in der Projektionsebene enthaltenen Verbindungslinie (25a) zwischen dem jeweiligen Spiegel (25a) und der Solarzelle (40), insbesondere zwischen dem Mittelpunkt (51) des jeweiligen Spiegels (30, 31) und der Solarzelle (40) gebildet wird, oder dass die zweiten Drehachsen (150) der Spiegel (30, 31) des optischen Elements (20) entlang der Ost-West-Richtung verlaufen, dass die ersten Drehachsen (50) der Spiegel (30, 31) des optischen Elements (20) senkrecht auf die Ost-West-Richtung sind oder, dass die ersten Drehachsen (50) der Spiegel (30, 31) parallel mit einer Richtung verlaufen, die auf der Nord-Süd-Richtung senkrecht ist und gegenüber der Ost-West-Richtung unter einem variablen Neigungswinkel geneigt ist, dass die zweiten Drehachsen (150) der Spiegel (30, 31) entlang der Nord-Süd-Richtung verlaufen und, dass die Spiegel (30, 31) des optischen Elements (20) mittels der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel (30, 31) um die ersten Drehachsen (50) und mittels der Steuermittel zum Steuer der Drehung der Spiegel (30, 31) um die zweiten Drehachsen (150) entsprechend dem Sonnenstand so gedreht werden, dass die Spiegel (30, 31) jeweils senkrecht auf einer Winkelhalbierende eines Winkels positioniert werden, der zwischen der auf den jeweiligen Spiegel (30, 31) auftreffenden Sonnenstrahlung (25) und einer, vorzugsweise der kürzesten Verbindungslinie (25a), die zwischen dem jeweiligen Spiegel (30, 31) und der Solarzelle (40), insbesondere zwischen dem Mittelpunkt (51) des jeweiligen Spiegels (30, 31) und der Solarzelle (40) gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 37.
Solaranlage mit mehreren insbesondere mit mehreren vereinzelten Photovoltaik-Vorrichtungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 37.