DE102009046794A1

DE102009046794A1 - Kollektorelement, Solarzellenanordnung und Solarzelleninstallation

Info

Publication number: DE102009046794A1
Application number: DE200910046794
Authority: DE
Inventors: Ingo Ramsteiner; Kai Garnier; Hendrik Boedeker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-05-19
Also published as: TW201123500A; WO2011061122A3; WO2011061122A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kollektorelement (41) einer Solarzellenanordnung (40), welches in einem Kollektorgehäuse (41a), das zum Öffnen und Wiederverschließen ausgebildet ist, eine Füllung enthält, die einen Fluoreszenzfarbstoff aufweist, wobei mindestens ein Teil, insbesondere ein wesentlicher Teil oder die gesamte Menge, des Fluoreszenzfarbstoffes in Teilchen (41e) eines Granulats mit lichtdurchlässiger Teilchenwand eingeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kollektorelement einer Solarzellenanordnung, welches in einem Kollektorgehäuse, das zum Öffnen und Wiederverschließen ausgebildet ist, eine Füllung enthält, die einen Fluoreszenzfarbstoff aufweist, sowie eine Solarzellenanordnung und Solarzelleninstallation, die mit einem solchen Kollektorelement ausgeführt ist.
Stand der Technik
In den letzten Jahren weist der Bereich der regenerativen Energieerzeugung ein starkes Wachstum auf. Eine vielfach untersuchte und heute schon in industriellem Maßstab realisierte Art der Energiegewinnung ist die photovoltaische Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie (kurz: Photovoltaik, PV). Neben gesetzlichen Vorgaben stellen vor allem die langfristig deutlich ansteigenden Kosten für fossile Energieträger einen Anreiz dar, in photovoltaische Anlagen zu investieren. Insgesamt ist auf konventionelle Art gewonnene Energie aber immer noch deutlich günstiger als photovoltaisch erzeugte.
Zentraler Kostentreiber der PV-Technik ist die Herstellung der Solarzellen, da die entsprechenden Rohmaterialien aufwendig zu produzieren und zu verarbeiten sind. Bereits in den 70er Jahren wurde daher vorgeschlagen, die Solarstrahlung vor der Umwandlung in der PV-Zelle zu konzentrieren, um die Fläche der eingesetzten PV-Materialien deutlich zu reduzieren und somit Kosten zu sparen. Neben konventionellen optischen Fokussierelementen (Spiegeln, Linsen etc.) wurde vorgeschlagen, sog. Fluoreszenz-Konzentratoren zu verwenden.
Diese stellen im wesentlichen eine große, transparente Rezeptorschicht dar (z. B. aus Glas, PMMA etc), auf die oder in die ein Fluoreszenzfarbstoff eingebettet ist. Dieser absorbiert breitbandig das einfallende Licht und re-emittiert dieses wieder mit einem geringeren, schmalbandigen Spektrum. Die Re-Emission erfolgt üblicherweise isotrop in alle Raumrichtungen. In der erwähnten Rezeptorschicht oder einem entsprechenden quaderförmigen Rezeptorkörper (nachfolgend auch als Kollektor bezeichnet) kann dennoch der größte Teil der Fluoreszenzstrahlung auf eine der Seitenflächen konzentriert werden, indem der Effekt der Totalreflexion an Grenzflächen der Schicht bzw. des Körpers genutzt wird und zusätzlich Spiegel an bestimmten Grenzflächen eingesetzt werden. Hierdurch wird es möglich, den größten Teil der Fluoreszenzstrahlung durch Reflexion solange umzulenken, bis er auf eine vorbestimmte Seitenfläche trifft. An der besagten Seitenfläche ist eine Solarzelle angeordnet, deren Größe an diejenige der Seitenfläche angepasst ist. Durch Einstellung der Dimensionen der Rezeptorschicht bzw. des Kollektorkörpers, speziell des Verhältnisses von Rezeptorfläche zu Solarzellenfläche, kann die gewünschte Konzentration der einfallenden Sonnenstrahlung auf eine relativ kleine Solarzellenfläche bewerkstelligt werden.
Die als Fluoreszenzfarbstoff eingesetzte Substanz muss einige Voraussetzungen erfüllen, um eine hohe Effizienz des Fluoreszenzkollektors zu bedingen. So sollten das Absorptions- und das Emissionsspektrum des Farbstoffs sauber getrennt sein. Ggf. können mehrere Farbstoffe in einem Aufbau zum Einsatz kommen, was nach Stand der Technik über eine Tandemanordnung mehrerer Kollektoren mit jeweils einem Farbstoffsystem erfolgt.
In der bisherigen Forschung wurden im wesentlichen zwei Vorschläge für geeignete Substanzen gemacht: organische Fluoreszenzfarbstoffe, die z. B. auch in Farbstofflasern eingesetzt werden können, und als zweite Option Nanopartikel. Beide genannten Stoffklassen weisen aber Nachteile auf. Organische Farbstoffe bleichen über die typische Lebensdauer von PV-Zellen (ca. 20 Jahre) deutlich aus, was den Wirkungsgrad des Fluoreszenzkollektors stark reduziert. Nanopartikel hingegen sind in der Herstellung noch deutlich zu teuer, um mit herkömmlicher PV-Technik konkurrenzfähig zu sein. Aus letzterem Grund kommt momentan aus Kostengründen nur der Einsatz von organischen Farbstoffen in Frage.
Dass Fluoreszenzfarbstoffe ausbleichen und daher ausgetauscht werden müssen, ist grundsätzlich schon seit längerer Zeit aus dem Bereich der Farbstofflaser bekannt. Daher wird in einem Farbstofflaser die Lösung mit hoher Rate durch den Resonator gepumpt (oft als Freistrahl), um durch einen ständigen Austausch das rasche Ausbleichen durch die extremen Lichtintensitäten zu kompensieren.
Da im Bereich von mit organischen Farbstoffen betriebenen Fluoreszenzkollektoren ein sehr ähnliches Problem besteht, wurde in der US 4,149,902 vorgeschlagen, den organischen Farbstoff in flüssiger Lösung in den Kollektor zu füllen und die Lösung bei Bedarf abzulassen, um diese durch neue Lösung zu ersetzen. Dieses Prinzip ist einfach und hat den Vorteil, dass sich Flüssigkeiten in ihrer Form fast beliebig vorgegebenen Hohlräumen anpassen können. Parallel dazu ergeben sich aber auch deutliche Nachteile. Zum einen wechselwirkt der in der Lösung enthaltene Farbstoff mit den angrenzenden Schichten. Dies kann z. B. bewirken, dass sich an die Schichten Farbstoff anlagert und durch das Ablassen der Flüssigkeit nicht mehr entfernt werden kann. Auf der anderen Seite kann es durch Bedienfehler passieren, dass beim Ablassen oder Einfüllen des Farbstoffs Flüssigkeit in die Umgebung gelangt. Dies kann nicht nur zu einer chemischen Belastung der Umgebung führen, sondern aufgrund der starken Färbewirkung der organischen Farbstoffe selbst bei hochgradiger Verdünnung zu einer starken ästhetischen Beeinträchtigung der Umgebung.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den organischen Farbstoff in ein Kunststoff- oder Glasgranulat zu verkapseln und dieses als Ersatz für die oben beschriebene Flüssigkeit zu verwenden. Die einzelnen Kugeln des Granulats sind deutlich kleiner als die geometrischen Dimensionen des zu befüllenden Kollektors, so dass es nicht zu Verstopfungen während des Befüllvorgangs kommt.
In einer Ausführung der Erfindung wird der Kollektor mit Wasser oder einem anderen transparenten, möglichst umweltverträglichen flüssigen Medium gefüllt. Das Medium kann neben einer Flüssigkeit gegebenenfalls auch eine Paste oder ein Gel sein, und es kann in einer weiteren Ausführung auf Wasserbasis hergestellt sein. Der Brechungsindex der Granulat-Teilchen wird im Herstellungsprozess dann so eingestellt, dass er dem des flüssigen, pastösen oder gel-artigen Mediums entspricht, so dass keine Brechungserscheinungen mehr an den Grenzflachen zwischen beiden auftreten.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Dichte der Teilchen (insbesondere Kugeln) der des umgebenden Fluids entspricht, so dass die Kugeln sich gleichmäßig verteilen und nicht absinken oder aufschwimmen.
Werden die tribologischen Eigenschaften der Granulatkugeln passend eingestellt, verhält sich das Granulat-Flüssigkeits-Gemisch ähnlich einer viskosen Flüssigkeit und kann daher durch eine kleinere Öffnung in den und aus dem Kollektor befördert werden. Demgemäß ist in einer weiteren Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass das Kollektorgehäuse einen verschließbaren Zulauf und einen verschließbaren Ablauf aufweist. Noch spezieller kann vorgesehen sein, dass das Kollektorgehäuse quaderförmig ist und der Zulauf an oder nahe einer ersten schmalen Stirnfläche und der Ablauf an oder nahe einer zweiten, der ersten gegenüberliegenden schmalen Stirnfläche angeordnet ist.
Auf diese Weise kann die Kollektorfüllung z. B. bei einer In-Dach-Installation auf einem schrägen Dach von der Innenseite eines Hauses aus über eine einfache Rohrleitung erneuert werden, ohne das Hausdach besteigen zu müssen. Mehrere Kollektoren können dabei parallel über einen Anschluss versorgt werden. Bei einer Auf-Dach-Installation kann die Befüllung von außen erfolgen, wenn das Dach nicht durchbohrt werden soll. Sind Löcher hingegen erlaubt, kann die Befüllung auch von innen erfolgen, wobei die Verbindungselemente zum Dach ggf. für die Befüllung genutzt werden können. Bei einem flachen Dach ist das Besteigen des Dachs generell kein Problem, so dass hier die Anschlüsse außen vorgesehen werden können. Tritt während des Befüllens und Entleerens durch fehlerhafte Bedienung Granulat aus, kann dieses in allen beschriebenen Fällen einfach wieder aufgesammelt und sogar wiederverwendet werden.
Zeichnungen
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
die 1 bis 3 Solarzellenanordnungen mit Kollektorelementen nach dem Stand der Technik,
4 eine Solarzellenanordnung mit einem erfindungsgemäßen Kollektorelement und
die 5a bis 5c schematische Darstellungen von Solarzelleninstallationen mit einem erfindungsgemäßen Kollektorelement in bzw. auf einem Hausdach.
1 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung das Funktionsprinzip einer Solarzellenanordnung 10 mit Strahlungskollektor, in der auftreffende Strahlung (Sonnenlicht) auf eine Hauptoberfläche eines quaderförmigen Kollektorelementes 11 auftrifft, in diesem Fluoreszenzstrahlung erzeugt und von dort das Fluoreszenzlicht (teilweise über einen Spiegel 12) zu einer Solarzelle 13 gelenkt wird. Das Kollektorelement 11 kann aus Glas oder einem Kunststoff (etwa PMMA) bestehen und hat in der in 1 dargestellten Ausführung an der dem Licht zugewandten Oberfläche eine Fluoreszenzschicht 14, in die ein Fluoreszenzfarbstoff eingelagert ist. Dieser wandelt das auftreffende Licht L in Fluoreszenzlicht L' um, welches nach mehrfachen Reflexionen an den Oberflächen des Kollektorelementes 11 und am Spiegel 12 schließlich zu einem großen Teil auf die Oberfläche der Solarzelle 13 gelangt und dort in elektrische Energie gewandelt wird.
2 zeigt als modifizierte Ausführung eine Solarzellenanordnung 20, welche ein Kollektorelement 21, einen Spiegel 22 und eine Solarzelle 23 umfasst, wobei das Kollektorelement 21 hier aus einem mit Fluoreszenzfarbstoff durchgefärbten Block besteht.
3 zeigt als weiter modifizierte Ausführung eine Solarzellenanordnung 30, die grundsätzlich wie die Anordnungen nach 1 und 2 aufgebaut ist, bei der das Kollektorelement 31 jedoch ein Kollektorgehäuse 31a mit einem verschließbaren Zulauf 31b und Ablauf 31c aufweist, welches mit einer einen Fluoreszenzfarbstoff enthaltenden Lösung 31d befüllt ist. Durch die Öffnungen 31d und 31c wird ein Austausch der den Fluoreszenzfarbstoff enthaltenden Lösung ermöglicht, wenn die einstrahlungsbedingte Degeneration des Farbstoffes einen vorbestimmten Grenzwert erreicht hat.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Solarzellenanordnung, die einen ähnlichen Aufbau wie die in 3 dargestellte Anordnung hat, weshalb auch an 3 angelehnte Bezugsziffern zur Bezeichnung der einzelnen Teile verwendet werden. Jedoch nimmt das Kollektorgehäuse 41a des Kollektorelementes 41 hier ein in eine farblose Flüssigkeit 41d eingebettetes Granulat aus Teilchen 41e auf, die einen Fluoreszenzfarbstoff enthalten. Die Teilchen 41e bestehen aus einem in der Flüssigkeit 41d unlöslichen Material und können insbesondere eine (nicht dargestellte) Struktur aufweisen, bei der eine den Fluoreszenzfarbstoff enthaltende Substanz bzw. der Farbstoff selbst in einer Hülle eingeschlossen ist, deren Brechungsindex auf denjenigen der Flüssigkeit 41d abgestimmt ist. Die Dichte der Teilchen 41e entspricht derjenigen der Flüssigkeit 41d, so dass die Teilchen in der Flüssigkeit gleichmäßig verteilt bleiben und ein Absinken über längere Betriebsdauer verhindert wird. Durch die Öffnungen 41b und 41c kann die Flüssigkeit mit den darin enthaltenden Granulat-Teilchen ausgetauscht werden, um Teilchen mit verbrauchtem Fluoreszenzfarbstoff nach entsprechender Betriebsdauer durch Teilchen mit frischem Farbstoff zu ersetzen.
In den 5a bis 5c sind verschiedene Varianten der Installation des erfindungsgemäßen Kollektorelementes 41 einer (nicht insgesamt dargestellten) Solarzellenanordnung in oder auf einem Dach R skizzenartig dargestellt. Speziell ist zu erkennen, dass bei einer In-Dach-Installation gemäß 5a eine Zuflussleitung 44 und eine Abflussleitung 45, jeweils mit zugehörigem (nicht gesondert bezeichneten) Ventil unterhalb des Daches im Inneren des Gebäudes angeordnet und in unmittelbarer Nachbarschaft des Kollektorelementes durch die Dachhaut geführt sein können. Des weiteren zeigt 5b die besonders einfache Anordnung entsprechend modifizierter Zufluss- und Abflussleitungen 44' bzw. 45' über dem Dach, und 5c zeigt, dass auch bei einer Auf-Dach-Installation die Zufluss- und Abflussleitungen unterhalb des Daches angeordnet und die Dachhaut durchstoßende Verbindungsleitungen zum Kollektorelement vorgesehen sein können.
Im Übrigen ist die Ausführung der Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern lediglich durch den Schutzbereich der anhängenden Patentansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4149902 [0008]

Claims

Kollektorelement (41) einer Solarzellenanordnung (40), welches in einem Kollektorgehäuse (41a), das zum Öffnen und Wiederverschließen ausgebildet ist, eine Füllung enthält, die einen Fluoreszenzfarbstoff aufweist, wobei mindestens ein Teil, insbesondere ein wesentlicher Teil oder die gesamte Menge, des Fluoreszenzfarbstoffes in Teilchen (41e) eines Granulats mit lichtdurchlässiger Teilchenwand eingeschlossen ist.
Kollektorelement nach Anspruch 1, wobei die Teilchen (41e) in eine lichtdurchlässige Flüssigkeit (41d) oder Paste oder ein Gel eingebettet sind.
Kollektorelement nach Anspruch 2, wobei ein Material der Teilchenwandungen (41e) und die Flüssigkeit (41d) oder Paste oder das Gel derart ausgewählt sind, dass ihre Brechungsindex bei der Emissionswellenlänge oder den wesentlichen Emissionswellenlängen des Fluoreszenzfarbstoffs gleich sind.
Kollektorelement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Flüssigkeit (41d) Wasser ist.
Kollektorelement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Flüssigkeit (41d) oder Paste oder das Gel auf Wasserbasis gebildet ist.
Kollektorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kollektorgehäuse (41a) einen verschließbaren Zulauf (41b) und einen verschließbaren Ablauf (41c) aufweist.
Kollektorelement nach Anspruch 6, wobei das Kollektorgehäuse (41a) quaderförmig ist und der Zulauf (41b) an oder nahe einer ersten schmalen Stirnfläche und der Ablauf (41c) an oder nahe einer zweiten, der ersten gegenüberliegenden schmalen Stirnfläche angeordnet ist.
Solarzellenanordnung (40) mit einem Kollektorelement (41) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Solarzelleninstallation in einem Hausdach (R), mit einem Kollektorelement (41a) nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Zuflussleitung (44) zum Zulauf und eine Abflussleitung (45) vom Ablauf des Kollektorelementes in oder unter dem Hausdach verlegt sind.
Solarzelleninstallation auf einem Hausdach (R), mit einem Kollektorelement (41a) nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Zuflussleitung (44') zum Zulauf und eine Abflussleitung (45') vom Ablauf des Kollektorelementes über dem Hausdach verlegt oder nahe dem Kollektorelement durch dieses hindurchgeführt und im weiteren Verlauf unter dem Hausdach verlegt ist.