DE102010048307B3 - Verfahren zum Herstellen eines Solarkonzentrators, eines Solarmoduls und zum Erzeugen elektrischer Energie - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Solarkonzentrators, eines Solarmoduls und zum Erzeugen elektrischer Energie Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Solarkonzentrators (1) aus einem transparenten Material, wobei der Solarkonzentrator (1) eine Lichteinkoppelfläche (2), eine Lichtauskoppelfläche (3) und einen zwischen der Lichteinkoppelfläche (2) und der Lichtauskoppelfläche (3) angeordneten, insbesondere sich in Richtung der Lichtauskoppelfläche (3) verjüngenden, Lichtleiterteil (4) umfasst, der zwischen der Lichteinkoppelfläche (2) und der Lichtauskoppelfläche (3) durch eine Lichtleiterteil-Oberfläche (5) begrenzt ist, wobei das transparente Material, zwischen einer ersten Form (14), insbesondere zum Formen der Lichteinkoppelfläche (2), und zumindest einer zweiten Form (10), insbesondere zum Formen der Lichtauskoppelfläche (3), zum Solarkonzentrator (1) blankgepresst wird, wobei die zweite Form (10) eine Perforation (16) aufweist, an der ein Unterdruck erzeugt wird, so dass das transparente Material mittels des Unterdrucks in die zweite Form (10) gezogen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Solarkonzentrators aus einem transparenten Material, wobei der Solarkonzentrator eine Lichteinkoppelfläche, eine Lichtauskoppelfläche und einen zwischen der Lichteinkoppelfläche und der Lichtauskoppelfläche angeordneten, insbesondere sich in Richtung der Lichtauskoppelfläche verjüngenden, Lichtleiterteil umfasst, der zwischen der Lichteinkoppelfläche und der Lichtauskoppelfläche durch eine Lichtleiterteil-Oberfläche begrenzt ist.
  • Die EP 1 396 035 B1 offenbart ein Solarkonzentratormodul, umfassend eine Vorderlinse auf seiner Vorderseite und eine Empfängerzelle auf seiner Rückseite und einen Reflektor zwischen der Vorderlinse und der Empfängerzelle, wobei der Reflektor mindestens entlang zwei gegenüberliegenden Seiten der Empfängerzelle geneigte Seitenwände aufweist, und einen flachen senkrechten Reflektor in der Mitte des Moduls.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Kosten für die Herstellung von Solarkonzentratoren zu senken. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, in einem begrenzten Kostenrahmen besonders hochwertige Solarkonzentratoren herzustellen.
  • Vorgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Solarkonzentrators aus einem transparenten Material gelöst, wobei der Solarkonzentrator eine Lichteinkoppelfläche, eine Lichtauskoppelfläche und einen zwischen der Lichteinkoppelfläche und der Lichtauskoppelfläche angeordneten, insbesondere sich in Richtung der Lichtauskoppelfläche verjüngenden, Lichtleiterteil umfasst, der zwischen der Lichteinkoppelfläche und der Lichtauskoppelfläche durch eine Lichtleiterteil-Oberfläche begrenzt ist, wobei das transparente Material, zwischen einer ersten Form, insbesondere zum Formen der Lichteinkoppelfläche, und zumindest einer zweiten Form, insbesondere zum Formen der Lichtauskoppelfläche, zum Solarkonzentrator blankgepresst wird, wobei die zweite Form eine Perforation aufweist, an der (bzw. an deren dem flüssigen Glase abgewandten Seite) ein Unterdruck erzeugt wird, so dass das transparente Material mittels des (durch die Perforation hindurchwirkenden) Unterdrucks in die zweite Form gezogen wird.
  • Ein Solarkonzentrator ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein Sekundärkonzentrator.
  • Transparentes Material ist im Sinne der Erfindung insbesondere Glas. Transparentes Material ist im Sinne der Erfindung insbesondere Silikatglas. Transparentes Material ist im Sinne der Erfindung insbesondere Glas, wie es in der WO 2009/109209 A1 beschrieben ist. Glas im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere
    0,2 bis 2 Gew.-% Al2O3,
    0,1 bis 1 Gew.-% Li2O,
    0,3, insbesondere 0,4, bis 1,5 Gew.-% Sb2O3,
    60 bis 75 Gew.-% SiO2,
    3 bis 12 Gew.-% Na2O,
    3 bis 12 Gew.-% K2O und
    3 bis 12 Gew.-% CaO.
  • Unter Blankpressen soll im Sinne der Erfindung verstanden werden, eine optisch wirksame Oberfläche derart zu pressen, dass eine anschließende Nachbearbeitung der Kontur dieser optisch wirksamen Oberfläche entfallen kann bzw. entfällt bzw. nicht vorgesehen ist. Es ist somit insbesondere vorgesehen, dass die Lichtauskoppelfläche nach dem Blankpressen nicht geschliffen wird.
  • Eine Perforation im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine durch einen Laser erzeugte Perforation (Laserperforation). Eine Perforation im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere eine Vielzahl von Löchern. Eine Vielzahl im Sinne der Erfindung bedeutet insbesondere mindestens 10, insbesondere mindestens 20, insbesondere mindestens 50. Vorteilhafterweise umfasst eine Perforation im Sinne der Erfindung insbesondere zumindest 50 Löcher. Für eine Perforation im Sinne der Erfindung gilt insbesondere
    Figure 00030001
  • Dabei bezeichnet Li das i-te Loch einer n Löcher umfassenden Perforation, Q(Li) die Querschnittsfläche bzw. die minimale Querschnittsfläche eines i-ten Loches der Perforation. X ist im Sinne der Erfindung insbesondere 0,1 mm2, insbesondere 0,2 mm2. Y ist insbesondere gleich 1 mm2.
  • Es ist insbesondere vorgesehen, dass das transparente Material als flüssiges Glas geschnitten und so in der zweiten Form positioniert wird, dass die Schnittnarbe außerhalb des optischen Bereichs liegt. Beim Pressen ist insbesondere vorgesehen, dass die erste Form und die zweite Form zueinander positioniert und aufeinander zugefahren werden Dabei kann die erste Form auf die zweite Form und/oder die zweite Form auf die erste Form zubewegt werden. Die erste Form und die zweite Form werden insbesondere solange aufeinander zubewegt, bis sie sich berühren bzw. eine geschlossene Gesamtform bilden. Nach dem Pressen ist insbesondere vorgesehen, dass der Solarkonzentrator auf einer geeigneten Unterlage auf einem Kühlband gekühlt wird.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das transparente Material, bedingt durch die Lage und/oder Gestaltung der Perforation in seinem äußeren Bereich, insbesondere zumindest teilweise während des Blankpressens, mittels des Unterdrucks in die zweite Form gezogen. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das transparente Material, insbesondere in seinem äußeren Bereich, zumindest teilweise während des Blankpressens mittels des Unterdrucks in die zweite Form gezogen. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Unterdruck zumindest 0,5 bar. Der Unterdruck entspricht in weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung insbesondere Vakuum. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besitzt das transparente Material unmittelbar vor dem Pressen eine Viskosität von nicht mehr als 104,5 dPas.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Form beheizt und/oder gekühlt. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite Form beheizt und/oder gekühlt.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichteinkoppelfläche konvex oder plan. Die Lichteinkoppelfläche kann asphärisch oder sphärisch geformt sein. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtauskoppelfläche konvex oder plan. Eine plane Lichteinkoppelfläche bzw. Lichtauskoppelfläche kann eine insbesondere schrumpfungsbedingte, insbesondere konkave, Konturabweichung von einer idealen Ebene aufweisen, die zum Beispiel bis zu 20 μm oder sogar bis 40 μm betragen kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Lichteinkoppelfläche als Freiform ausgestaltet ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Lichtauskoppelfläche konkav ausgestaltet ist.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Form eine Platte mit der Perforation auf. Eine Platte im Sinne der Erfindung ist insbesondere auch eine Folie. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Platte aus Metall. Die Platte kann, z. B. mit Chrom, beschichtet sein.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird mittels der Platte die Lichtauskoppelfläche geformt. Das heißt insbesondere, dass beim Pressen der Lichtauskoppelfläche diese die Platte berührt und durch diese ihre Form erhält.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Perforation auf dem Umfang einer geometrischen Figur angeordnet. Eine geometrische Figur im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Kreis oder ein Quadrat. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die geometrische Figur, auf deren Umfang die Perforation angeordnet ist, die gleiche geometrische Figur wie die Lichtauskoppelfläche oder die Projektion der Lichtauskoppelfläche in Richtung der Orientierung der optischen Achse des Solarkonzentrators. Eine optische Achse des Solarkonzentrators ist insbesondere eine bzw. die Orthogonale der Lichtauskoppelfläche. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die geometrische Figur, auf deren Umfang die Perforation angeordnet ist, die gleiche geometrische Figur wie die Lichtauskoppelfläche oder die Projektion der Lichtauskoppelfläche in Richtung der Orientierung der optischen Achse des Solarkonzentrators, wobei die Fläche der geometrische Figur, auf deren Umfang die Perforation angeordnet ist, zwischen 1% und 3% größer ist als die Fläche der geometrische Figur der Lichtauskoppelfläche oder der Projektion der Lichtauskoppelfläche in Richtung der Orientierung der optischen Achse des Solarkonzentrators.
  • Vorgenannte Aufgabe wird zudem durch ein – insbesondere eines oder mehrere der vorgenannten Merkmale umfassendes – Verfahren zum Herstellen eines – insbesondere eines oder mehrere der vorgenannten Merkmale umfassenden – Solarkonzentrators aus einem transparenten Material gelöst, wobei der Solarkonzentrator eine Lichteinkoppelfläche, eine Lichtauskoppelfläche und einen zwischen der Lichteinkoppelfläche und der Lichtauskoppelfläche angeordneten, insbesondere sich in Richtung der Lichtauskoppelfläche verjüngenden, Lichtleiterteil umfasst, der zwischen der Lichteinkoppelfläche und der Lichtauskoppelfläche durch eine Lichtleiterteil-Oberfläche begrenzt ist, wobei das transparente Material, zwischen einer ersten Form, insbesondere zum Formen der Lichteinkoppelfläche, und zumindest einer zweiten Form, insbesondere zum Formen der Lichtauskoppelfläche, zum Solarkonzentrator blankgepresst wird, wobei die zweite Form eine Platte mit einer Perforation aufweist.
  • Vorgenannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls gelöst, wobei ein gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Merkmale hergestellter Solarkonzentrator mit seiner Lichtauskoppelfläche mit einem Fotovoltaikelement (zum Erzeugen elektrischer Energie aus Sonnenlicht) verbunden, insbesondere verklebt, und/oder fest zu einem Fotovoltaikelement (zum Erzeugen elektrischer Energie aus Sonnenlicht) ausgerichtet wird.
  • Vorgenannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie gelöst, wobei in die Lichteinkoppelfläche eines Solarkonzentrators eines vorgenannten Solarmoduls Sonnenlicht eingekoppelt wird.
  • Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel für einen Solarkonzentrator,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Solarkonzentrators gemäß 1,
  • 3 einen vergrößerten Ausschnitt des Solarkonzentrators gemäß 1,
  • 4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Perforation in einer Platte einer Form zum Herstellen eines Solarkonzentrators gemäß einem Verfahren gemäß 2,
  • 5 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer kreisförmigen Perforation für eine in einer Platte für eine Form zum Pressen eines alternativ ausgestalteten Solarkonzentrators und
  • 6 ein Ausführungsbeispiel für ein Solarmodul mit einem erfindungsgemäßen Solarkonzentrator.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Solarkonzentrator 1 in einer Querschnittsdarstellung. Der Solarkonzentrator 1 umfasst eine Lichteinkoppelfläche 2 und eine blankgepresste Lichtauskoppelfläche 3 sowie einen zwischen der Lichteinkoppelfläche 2 und der Lichtauskoppelfläche 3 angeordneten sich in Richtung der Lichtauskoppelfläche 3 verjüngenden Lichtleiterteil 4. Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Lichtleiterteil-Oberfläche, die den Lichtleiterteil 4 zwischen der Lichteinkoppelfläche 2 und der Lichtauskoppelfläche 3 begrenzt. Dabei geht die Lichtleiterteil-Oberfläche 5 – wie detailliert in 3 dargestellt – mit einer Krümmung 8 in die Lichtauskoppelfläche über, deren Krümmungsradius in etwa 0,1 mm beträgt. Der Solarkonzentrator 1 umfasst zudem einen Tragrahmen 20 bzw. Flansch mit einem ohne Formenkontakt oder nur zum Teil mit Formenkontakt gepressten Außenrand 21. Bezugszeichen 28 in 1 bezeichnet die optische Achse des Solarkonzentrators 1.
  • 2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung des Solarkonzentrators 1 gemäß 1. Dabei wird flüssiges Glas, das eine Viskosität von nicht mehr als 104,5 dPas aufweist, in eine Form 10 gegeben und mittels einer Form 14 zum Solarkonzentrator 1 gepresst. Die Form 10 umfasst eine Teilform 11 eine Stützplatte 13 sowie eine zwischen der Stützplatte 13 und der Teilform 11 angeordnete Platte 12. Die Platte 12 kann auch eine Folie sein. Die Platte 12 umfasst eine detailliert in 4 in einer Draufsicht dargestellte Perforation 16. Die Perforation 16 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel 108 auf dem Umfang eines Quadrates angeordnete Löcher in der Platte 12, die in einem Abstand von etwa 200 μm voneinander angeordnet sind und einen Öffnungsquerschnitt von 50 μm aufweisen. Die Löcher der Perforation 16 sind insbesondere mittels Laserperforation hergestellt. In 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weniger Löcher abgebildet, als die Perforation 16 der Platte 12 tatsächlich umfasst. Mittels der Platte 12 wird die Lichtauskoppelfläche 3 geformt, wobei die Löcher der Perforation 16 am Rand der Lichtauskoppelfläche bzw. etwas außerhalb der Lichtauskoppelfläche 3 angeordnet sind, sodass die geometrische Figur der Perforation 16 zwar gleich der geometrischen Figur der Lichtauskoppelfläche 3 ist, jedoch etwas größer als diese.
  • Die Stützplatte 13 umfasst auf ihrer der Platte 12 zugewandten Seite einen umlaufenden Kanal 17, in den die Löcher der Perforation 16 münden. Über Bohrungen 15, die in dem umlaufenden Kanal 17 münden, wird in dem umlaufenden Kanal 17 und damit in den Löchern der Perforation 16 ein Unterdruck 25 im Bereich des Vakuums erzeugt. Durch diesen Unterdruck wird das flüssige Glas in die Teilform 11 gezogen.
  • 5 zeigt eine Platte 12' mit einer Perforation 16', die auf dem Umfang eines Kreises angeordnet ist. Die Platte 12' ist Teil einer Form zum Blankpressen eines Solarkonzentrators mit einer kreisrunden Lichtauskoppelfläche.
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Solarmodul 40 mit einem erfindungsgemäßen Solarkonzentrator 1. Das Solarmodul 40 umfasst einen Kühlkörper 41 auf dem ein Fotovoltaikelement 42 und eine Halterung 44 für den Solarkonzentrator 1 angeordnet sind. Die Lichtauskoppelfläche 3 ist mittels einer Klebeschicht 43 mit dem Fotovoltaikelement 42 verbunden. Das Solarmodul 40 umfasst zudem einen als Fresnelllinse ausgestalteten Primär-Solarkonzentrator 45 zur Ausrichtung von Sonnenlicht 50 auf die Lichteinkoppelfläche 2 des als Sekundär-Solarkonzentrator angeordneten bzw. ausgestalteten bzw. vorgesehenen Solarkonzentrators 1. Das über die Lichteinkoppelfläche 2 in den Solarkonzentrator 1 eingeleitete Sonnenlicht tritt über die Lichtauskoppelfläche 3 des Solarkonzentrators 1 aus und trifft auf das Fotovoltaikelement 42.
  • Die Elemente, Abmaße bzw. Winkel in den 1 bis 6 sind unter Berücksichtigung von Einfachheit und Klarheit und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. So sind z. B. die Größenordnungen einiger Elemente, Abmaße bzw. Winkel übertrieben gegenüber anderen Elementen, Abmaßen bzw. Winkeln dargestellt, um das Verständnis der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu verbessern.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Solarkonzentrators (1) aus einem transparenten Material, wobei der Solarkonzentrator (1) eine Lichteinkoppelfläche (2), eine Lichtauskoppelfläche (3) und einen zwischen der Lichteinkoppelfläche (2) und der Lichtauskoppelfläche (3) angeordneten, insbesondere sich in Richtung der Lichtauskoppelfläche (3) verjüngenden, Lichtleiterteil (4) umfasst, der zwischen der Lichteinkoppelfläche (2) und der Lichtauskoppelfläche (3) durch eine Lichtleiterteil-Oberfläche (5) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material, zwischen einer ersten Form (14), insbesondere zum Formen der Lichteinkoppelfläche (2), und zumindest einer zweiten Form (10), insbesondere zum Formen der Lichtauskoppelfläche (3), zum Solarkonzentrator (1) blankgepresst wird, wobei die zweite Form (10) eine Perforation (16) aufweist, an der ein Unterdruck erzeugt wird, so dass das transparente Material mittels des Unterdrucks in die zweite Form (10) gezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material, insbesondere in seinem äußeren Bereich, zumindest teilweise während des Blankpressens mittels des Unterdrucks in die zweite Form (10) gezogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck zumindest 0,5 bar beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material unmittelbar vor dem Pressen eine Viskosität von nicht mehr als 104,5 dPas besitzt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Form (10) eine Platte (12) mit der Perforation (16) aufweist.
  6. Verfahren zum Herstellen eines Solarkonzentrators (1) aus einem transparenten Material, wobei der Solarkonzentrator (1) eine Lichteinkoppelfläche (2), eine Lichtauskoppelfläche (3) und einen zwischen der Lichteinkoppelfläche (2) und der Lichtauskoppelfläche (3) angeordneten, insbesondere sich in Richtung der Lichtauskoppelfläche (3) verjüngenden, Lichtleiterteil (4) umfasst, der zwischen der Lichteinkoppelfläche (2) und der Lichtauskoppelfläche (3) durch eine Lichtleiterteil-Oberfläche (5) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material, zwischen einer ersten Form (14), insbesondere zum Formen der Lichteinkoppelfläche (2), und zumindest einer zweiten Form (10), insbesondere zum Formen der Lichtauskoppelfläche (3), zum Solarkonzentrator (1) blankgepresst wird, wobei die zweite Form (10) eine Platte (12) mit einer Perforation (16) aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Platte (12) die Lichtauskoppelfläche (3) geformt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Perforation (16) auf dem Umfang einer geometrischen Figur angeordnet ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Figur, auf deren Umfang die Perforation (16) angeordnet ist, die gleiche geometrische Figur ist wie die Lichtauskoppelfläche (3) oder die Projektion der Lichtauskoppelfläche (3) in Richtung der Orientierung der optischen Achse (28) des Solarkonzentrators (1).
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Figur, auf deren Umfang die Perforation (16) angeordnet ist, die gleiche geometrische Figur ist wie die Lichtauskoppelfläche (3) oder die Projektion der Lichtauskoppelfläche (3) in Richtung der Orientierung der optischen Achse (28) des Solarkonzentrators (1), wobei die Fläche der geometrische Figur, auf deren Umfang die Perforation (16) angeordnet ist, zwischen 1% und 3% größer ist als die Fläche der geometrischen Figur der Lichtauskoppelfläche (3) oder der Projektion der Lichtauskoppelfläche (3) in Richtung der Orientierung der optischen Achse (28) des Solarkonzentrators (1).
  11. Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls (40), dadurch gekennzeichnet, dass ein gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellter Solarkonzentrator (1) mit seiner Lichtauskoppelfläche (3) mit einem Fotovoltaikelement (42) verbunden und/oder fest zu einem Fotovoltaikelement (42) ausgerichtet wird.
  12. Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass in die Lichteinkoppelfläche (2) eines Solarkonzentrators (1) eines gemäß einem Verfahren nach Anspruch 11 hergestellten Solarmoduls (40) Sonnenlicht (50) eingekoppelt wird.
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