DE102010052227A1

DE102010052227A1 - Photovoltaik-System mit Rundelementen

Info

Publication number: DE102010052227A1
Application number: DE102010052227A
Authority: DE
Inventors: Dr. Freiherr von Wangenheim Horst
Original assignee: PARADICONS Ltd
Current assignee: PARADICONS Ltd
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-05-24

Abstract

Photovoltaik-Modul für eine Solarzelle, welches aus einer positiv dotierten Siliziumschicht mit einem Kontaktelement und einer Elektrode, einem PN-Übergang und einer sich daran anschließenden negativ dotierten Siliziumschicht mit einem Kontaktelement und einer Elektrode besteht, wobei an den beiden stromleitenden Elektroden ein Gleichstrom abnehmbar ist, wobei das Photovoltaik-Modul im Wesentlichen als Rundelement ausgebildet ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaik-Systems mit Rundelementen sowie ein daraus hergestelltes Photovoltaik-Modul nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die Solarzelle oder photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das kurzwellige Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie (Gleichstrom u. über Wandler in Wechselstrom) wandelt – oder erzeugt Prozesswärme zur Wärmegewinnung (z. B. Warmwasser bzw. Klimatisierung).
Es ist bekannt, Solarzellen auf Dächer mit Hilfe einer Gestell-Struktur (meist Leichtmetall) zu montieren. Damit Strom erzeugende Solarzellen einen möglichst hohen Wirkungsgrad erreichen, sollten die Oberflächen optimale Winkel zum einfallenden Sonnenlicht haben, hierbei muss die horizontale wie vertikale und Himmelsrichtung beachtend werden.
Die bekannten Dach-Montagen haben rein zu haltende, glatte Glasoberflächen mit fixem Sonneneinfallwinkel.
Bisher wurde der Verlauf der Sonne kaum berücksichtigt und wenn doch, war dies nur mit aufwendigen, kardanischen Gestellkonstruktionen mit hohem mechanischem (auch baulich, finanziell und energetisch) Aufwand möglich.
Die Effizienz und der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen hängen von vielen Faktoren ab, wie z. B:

– Zellaufbau (mono-, polykristallin oder amorph)
– Zellmaterial (meist Silizium, Gallium, Cadmium
– Verhältnis von erzeugter, elektrischer Leistung zur Leistung der Globalstrahlung (theoretisch von ca. 30% im Labor bis 85% bei Multibandsystemen)
– Zelltemperatur (je höher über 25°C desto geringere Wirkungsgrade)
– Intensität des Lichteinfalls (Oberflächen-Reflexionen, die Licht verloren geben, sollten ausgeschlossen werden)
– Materialsystem (Kombinationen v. Zellmaterialien oder mehrerer Schichten bis zu Tandem- und Multibandsystem für alle Wellenbereiche des Lichtes
– Verhinderung von Degradationen durch entsprechende Materialwahl oder Kühlung des Materials.

Mit der neuen Entwicklung und Erfindung sollen die bekannten Nachteile vermieden bzw. reduziert und der Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die Vorrichtung nach dem Gegenstand des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Die Herstellung des erfindungswesentlichen Gegenstandes ist durch das Verfahren nach dem Gegenstand des Anspruches 10 gekennzeichnet.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass eine plattenförmige Solarzelle, die im Wesentlichen aus einer positiv dotierten Siliziumschicht, einem PN-Übergang und einem sich daran anschließenden negativ dotierten Siliziumschicht besteht, wobei an den Siliziumschichten entsprechende Elektroden angeordnet sind, dieses plattenförmige Element erfindungsgemäß nun als Rundelement gebogen wird, um so ein rundgeformtes Hohlelement zu erbringen.
Wichtig bei der Erfindung ist also, dass von der Plattenform eines herkömmlichen Photovoltaik-Plattenelementes abgewichen wird und die Erfindung nun stattdessen vorschlägt, hieraus ein Rundelement zu erstellen.
Der Begriff „Rundelement” ist jedoch weit gefasst zu verstehen.
Zunächst ist vorgesehen, dass im Querschnitt rundprofilierte, strangförmige Elemente geschaffen werden, die später als Längselemente bezeichnet werden und die als komplett funktionierendes Photovoltaik-Modul ausgebildet sind.
Derartige rundprofilierte Längselemente können in einer beliebigen Gitterstruktur, einer Gewebestruktur, einer Wirkstruktur verlegt werden, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, dass diese in Längsrichtung verlaufenden Rundelemente in einer einzigen Ebene verlegt sind. Diese Elemente können auch verschiedene Wölbungen und Formgebungen einnehmen, z. B. auch als Hohlspiegel ausgebildet sein, als dreidimensional verformtes Element, welches in seinem Einzelaufbau aus den sich in Längsrichtung erstreckenden Längselementen gebildet ist.
Derartige dreidimensionale Formgebungen des aus einzelnen Rundelementen (Längselementen) gebildeten Photovoltaik-Moduls können in dreidimensionale Strukturen, z. B. in konvexer oder konkaver Wölbung vorgesehen werden.
Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist, dass erkannt wurde, dass aus dem plattenförmigen Photovoltaik-Modulen, wie sie zum Stand der Technik gehören, ein wesentlich größerer Wirkungsgrad erzielt werden kann, wenn aus einem solchen plattenförmigen Element ein Rundelement geformt wird, welches als Photovoltaik-Modul definiert und voll funktionsfähig ist.
Ein wesentliches Anwendungsgebiet ist die Anbringung an jeglichen Dach-, Flächen- und Fassadenformen sowie allen weiter angeführten Einsatzmöglichkeiten, wie Flächen, Elementen, Rohren, etc. – an- und aufzubringende, an jeder Flächengröße adaptierbare und zu befestigende (div. Mögl.) Gewebestruktur zur Photovoltaiknutzung und Wärmegewinnung, in jeweils optimaler Effizienz mittels Sonnenverlaufnutzung und „Sonnenfallen”.
Es soll dem Sonnen- und veränderten Winkelverlauf über den Tag Rechnung getragen werden. Es werden diverse Alleinstellungsmerkmale in das System eingebaut, bzw. ver- und angewendet, die den oben genannten Aufgaben gerecht werden.
Die entscheidende Rolle spielt dabei die „verwobene” Röhren- bzw. Schlauchkonstruktion, in der alle Elemente und Prozesse der Photovoltaik vorkommen bzw. stattfinden. Zusätzlich werden sogenannte „Sonnenfallen” aktiv, die die einfallenden kurzwelligen Lichtstrahlen mehrfach durch Ableitungen (Reflexionen) nutzen. Auf der erreichten mehrfachen Fläche ist eine viel höhere Nutzung der Strahlen möglich, was zu einer Effizienzsteigerung führt und dadurch ein höherer Nutzungsgrad erreicht wird.
Die oben genannte Gewebestruktur kann wie eine Matte über alle Materialien „gelegt” (gehängt, verspannt, verklebt) werden, aber auch als eigenständige, strukturiert und eingebundene Oberfläche verwendet werden (z. B. für Dächer, Karosserien, Fassaden usw.).
Die Elemente der Gewebeoberflächen sind rund und daher wenig schmutzanfällig.
Im Gewebe entstehen die sogenannten Sonnenfallen über Hoch- und Tieflagen, ähnlich wie Kette- und Schuss in bekannten Stoffgeweben, durch deren verwobenen Struktur.
Dadurch werden Lichtstrahlen an andere Röhren oder Schläuche des Gewebes abgeleitet und gehen nicht verloren, was einen höheren Wirkungsgrad bewirkt. In den bekannten PV-Anlagen störende Reflexionen werden hier sogar gewünscht und trägt zur Effizienzsteigerung bei! Die Antireflexionsschicht entfällt!
In einer Weiterbildung der Erfindung wird in allen „Fäden” (Kett- und Schussfäden) bzw. Röhren und Schläuchen ein weiteres Rohr bzw. ein Schlauch mit einem Medium (Fluid) zur Kühlung eingeleitet (ergibt pro Grad Kühlung ca. +0,7% Wirkungsgrad), das gleichzeitig die Warmwasserversorgung und/oder Klimatisierung übernehmen kann (= Kombieffekt).
Der Durchfluss eines Kühlmediums, welches entweder gasförmig oder flüssig ausgebildet ist, kann nicht nur zu einer Heizung verwendet werden, sondern nach dem Absorberprinzip zum Antrieb eines Klimatisierungsaggregates.
Die aufgeführten bzw. erkennbaren (subjektiven und objektiven) Nachteile haben zur Folge, dass der aktuelle Wirkungsgrad von Solarpaneelen nach dem heutigen Stand der Technik selbst bei optimalen Bedingungen kaum über die 20% (real) kommt.
Die Lösung ergibt sich in der Summe aus vielen Einzel-Vorteilen und Modulen:

a) die sonnen- bzw. lichtbestrahlte Fläche wird bei gleicher Grundfläche vervielfacht
b) sog. „Sonnenfallen” werden eingebaut
c) der Sonnenverlauf wird berücksichtigt (horizontal u. vertikal)
d) durch Kühlung wird eine Kombination bzw. Vielfacheffekt erzielt (Warmwassergewinnung und höhere Effizienz)
e) alle Flächen und alle Strukturen sind als „Untergrund” bzw. Unterbau denkbar
f) flächenunabhängig (kein Paneel – sondern ein „Gewebe”)
g) Reinhaltung vereinfacht
h) das verwendete amorphe Silizium ist günstiger und egalisiert bekannte Nachteile im Wirkungsgrad durch besseren Wirkungsgrad bei „Nur-Licht” gegenüber mono- und polykristallinem Silizium
i) es können alle bekannte und noch zu entwickelnden Zellmaterialien – auch „kombiniert” eingebracht werden
j) Lichteinfallswinkel ist über den ganzen Tag an definierten Punkten immer optimal
k) teure Multiband- und Tandem-Lösungen werden unnötig
l) Degradation wird durch Materialwahl und Kühlung minimiert
m) weitere Entwicklungen werden die Effizienz, die Kosten und die Kosten/Nutzen-Analyse weiter verbessern

Als Struktur ist ein grundsätzlicher Aufbau als Geflecht aus ca. 1 cm Durchmesser starken/großen „Materialien” möglich, die die Anforderungen der Stromproduktion per PV in Wafern erfüllen. Möglich sind dabei auch innenliegende Miniröhren zur Kühlung per Fluid und den notwendigen „+ und – Abnehmern”
Das Geflecht kann auch in Wafer-, Panel- und/oder Mattenform in jeder denkbaren Größe und Zuschnitt (auch 3-dimensional) produziert werden
Die Abnehmer können als Rahmen in Reihe geschaltet werden und als Adapter und/oder Endprofile ausgebildet sein (je nach gewähltem System! – auch rund oder anderen Formen).
Das Geflecht mit sog. Sonnenfallen kann beispielsweise ausgebildet sein als:

a) glatt
b) konkav
c) konvex
d) alle anderen adaptierbaren Formen
e) multiple Flächen (unter-, über-, nebeneinander etc.)
f) 3-dimensionale Elemente (Pilz-, Stoppel-, Gras-, Tetraeder etc.)
g) als alle möglichen Absätze (treppen-, trapez-, rundförmig, allgemein eckig)
h) als Miniröhren, auch zum Stecken
i) als direkte Silizium-Fäden-Gewebe oder -matten

Ebenso kann das Geflecht als Endlos-Rollen oder als Endlos-Matten (z. B. in verschiedenen Breiten) hergestellt werden.
Das Geflecht kann alle möglichen Strukturen und Formen (z. B. Kleinst-Konkav-Elemente) aufweisen, die per „Geflecht” errichtet und/oder adaptiert werden können.
Folgende Einsatzmöglichkeiten sind möglich:

1. Jegliche Art und Form eines Daches (Giebel-, Flach-, Walm- etc.)
2. Alle Wandformen, wie z. B.
2.1 Wandelemente, Rollladen, Markisen, Fenster, Fensterläden (2-seitig – beide Seiten Energieaufnahme – Korpus Batteriefunktion),
2.2 Blumenkästen,
2.3 Gartenhäuser, Gewächshäuser,
2.4 Fassadenplatten aller Art (Stein, Glas, Metall, Holz- u. Holzstoffe beschichtet und unbeschichtet,
2.5 auf Pumpenhäuschen auf den Feldern (für „Water Desalination”, „Water Treatment”, etc.)
2.6 Aussentäferungen als Designelemente, Werbetafeln mit Leuchtschrift u/o Laufschriften aus eigener Energieversorgung, Nachtbestrahlung von Fassaden(LED), Film- u. Videowände an Hauswänden mit eigener Energieversorgung u. Fernsteuerung,
2.7 spezielle Elemente als selbsttragende PV-Anlagen, die in ihrer Ausstattung als eigene Wände ins „Haus reichen”, um Wärme in Innenwände, Böden u. Decken zu geben, um Elektrizität zu produzieren, Dämmung zu optimieren, Wasser zu erwärmen und um als Batterie zu fungieren,
2.8 als Zaunelement mit Batteriefunktion,
2.9 Eigenständige Poweranlage für alle Einsatzzwecke und neuer Speichermöglichkeit mit Superbatterie (z. B. Fluidtank in Erde etc, vertikal) applizierbar als allg. Bauelement mit div. Funktionen (Heizung,.)
3. Alle Röhrenausführungen, wie z. B.:
3.1 horizontale und. vertikale Ausführung – z. B. Überland-Heiz- und/oder – ölrohre),
3.2 Street-Lightning, Schläuche u/o Gewebe div. Einsatzmöglichkeiten in minimaler Größe
3.3 Überzug über bestehende Straßenlaternen-Masten oder als Versteifung als Carbon Tube, als Oberfläche für Straßenlaternenschirme,
4. Als Außenhaut verschiedener. Elemente, wie z. B.:
4.1 Flugzeug, Zeppelin, Auto, Schiff, Boote, Raketen, Raumschiff,
4.2 Wasserabdeckungen in Freibädern oder privaten Pools
4.3 Schaltafeln beim Bau,
5. Alle liegenden, stehenden, schrägen und ähnliche Flächen, die Sonnen- bzw. Lichtstrahlen zulassen, wie z. B.:
5.1 Straßenränder, Autobahnstandstreifen, Flughafen Start- u. Landebahnenseitenstreifen, Uferbefestigungen.,
5.2 alle mögl. Falt-, Klapp- und Rollelemente
6. Bewegliche Stadiondächer, die geschlossen Energie für Abendveranstaltungen aufnehmen
7. Windsegel (komplett autarke Stromversorgung)
8. Dach- und Wandseiten von Verkaufsständen als selbständige Energieversorgung,
9. Gartenzäune, Sonnen- u. Regenschirm-Abdeckungen,
10. Satellitenschüssel (empfängt Signale und Energie),
11. Carports, Zelte, Zeltplanen, Vorhänge, Vordächer, komplette Tourbühnen (Seiten und Dächer) als Energieselbstversorger,

Wird das Gewebe in konkaver und/oder konvexer Ausführung produziert, so ergeben sich neue Einsatzgebiete. Bei einer für konkave Ausführung ist ein Kocher, eine Heizung oder eine Fassade möglich. Bei einer konvexen Ausführung ist ein Einsatz für alle röhrenförmigen Anwendungen) möglich.
Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass ein erfindungsgemäß gebildetes Rundelement mit einem Hohlraum ausgebildet ist, in dem eine Kühlflüssigkeit zirkuliert.
In der einfachsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Rundelement einen durchgehenden Querschnitt aufweist, so dass der mit einem Kühlmittel durchflossene Innenraum entfallen kann.
Es wird jedoch bevorzugt, wenn das Rundelement als Schlauchelement ausgebildet ist und einen inneren, in Längsrichtung verlaufenden Hohlraum aufweist, der bevorzugt von einem Kühlmedium durchflossen wird, wobei dieses Kühlmedium entweder als Flüssigkeit oder als Gas ausgebildet sein kann.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausgestaltung des Längselementes und der dazugehörenden Querelemente (allgemein als Rundelement bezeichnet) als strangförmiges Gebilde in einer rundprofilierten Form beschränkt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass statt eines zylindrischen Querschnittes nun Mehreckquerschnitte, auch Hexagonalquerschnitte, Ovalquerschnitte oder beliebige asymmetrische Querschnitte verwendet werden, so dass die Erfindung nicht die Ausbildung eines im Schnitt rundzylindrischen Rundelementes beschränkt ist.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
1a: perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Photovoltaik-Moduls nach dem Stand der Technik
1b: ein erster erfindungsgemäßer Schritt zur Rundumformung des plattenförmigen Photovoltaik-Moduls nach 1a
1c: schematisiert die vollkommene Rund-Umformung des Photovoltaik-Moduls, welches aus dem plattenförmigen Photovoltaik-Modul nach 1a gebildet wurde.
2: Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rundelementes
3: Schnitt durch eine Abwandlung eines Ausführungsbeispieles nach 2
4: schematisiert ein Beispiel für die Abweichung von der Rundform des erfindungsgemäßen Rundelementes
5: schematisiert ein weiteres Beispiel für eine Abweichung von der Rundform
6: erstes Ausführungsbeispiel, wie die erfindungsgemäßen Rundelemente in Form eines Strangelementes verlegt werden in Draufsicht
7: eine Stirnansicht der Anordnung nach 7
8: eine Anwendungszeichnung, wie Rundelemente nach 2 in der Strangform nach 6 zur Gewinnung von Strom und Wärme in Abhängigkeit vom Sonnenlauf und Sonnenhöhe verwendet werden
9: ein weiteres Ausführungsbeispiel im Vergleich zur 6, wo die Rundelemente als Längs- und Querelemente in einer Gewebestruktur verflochten sind
10: die Draufsicht auf die Anordnung nach 9 mit Darstellung weiterer Einzelheiten
11: Schnitt gemäß der Linie A – in 10
12: Schnitt gemäß der Linie B – in 10
13: eine vergrößerte Darstellung mit schematisierter Darstellung der Streulicht- und Reflektionslichtverhältnisse bei der Effizienzsteigerung durch Ausnutzung von Winkel und Höhe auf den Sonnenlauf in einer Gewebestruktur
In 1a ist ein herkömmliches Photovoltaik-Modul nach dem Stand der Technik gezeigt, welches in an sich bekannter Weise aus einem positiv dotierten Siliziummaterial 24 besteht, welches über einen PN-Übergang 26 mit einem negativ dotierten Siliziummaterial 25 in stromleitender Verbindung steht und hierbei die äußere Oberfläche des negativ dotierten Siliziums mit einem Kontaktelement 22 stromleitend verbunden ist, an dem eine negative Elektrode zur Stromableitung angeordnet ist.
Das Kontaktelement 22 kann hierbei mit einer Antireflexschicht 27 versehen sein.
An der Unterseite des positiv dotierten Siliziums 24 ist wiederum ein Kontaktelement 23 angeordnet, an dem eine positive Elektrode 6 angeordnet ist, so dass über die beiden Elektroden 6, 7 ein Gleichstrom abgenommen wird, wie dies bei herkömmlichen Photovoltaik-Modulen 1 bekannt ist.
Erfindungsgemäß wird nun aus einem derartigen plattenförmigen Photovoltaik-Modul nach dem Stand der Technik ein vollkommen rundzylindrisches Rundelement 30 gebildet, wie es in den Verfahrensschritten A und B nach den 1b und 1c erläutert ist.
Wenn man sich nun das plattenförmige Photovoltaik-Modul nach 1a (nach dem Stand der Technik) als streifenförmiges Element vorstellt, dann würde gemäß der vorliegenden Erfindung dieses streifenförmige Element in den Pfeilrichtungen 29 rund gebogen werden, um so eine zunächst halbrunde Form nach 1b zu erhalten.
Hierbei kommt dann das positiv dotierte Silizium 24 auf die Innenseite des zunächst halbrund gebogenen Elementes 30' und das negative Siliziumelement 25 würde dann an der Außenseite eines solchen zunächst halbrund gebogenen Rundelementes 30' bestehen.
Dies ist jedoch nur ein gedanklicher Schritt, denn tatsächlich wird nach 1c aus dem plattenförmigen Element nach dem Verfahrensschritt B ein vollkommen rund geformtes Element 30 gebildet, welches dann gemäß der oben stehenden Darstellung nach 1a auf seinem Innenumfang die eine positiv dotierte Siliziumschicht 24 aufweist und an seinem Außenumfang eine negativ dotiertes Siliziumschicht 25.
Selbstverständlich ist es nicht lösungsnotwendig, dass sich die positiv dotierte Siliziumschicht 24 über den gesamten Innenumfang des Rundelementes 30 der 1c erstreckt, und ebenso ist es nicht lösungsnotwendig, dass sich die negativ dotierte Siliziumschicht 25 über den gesamten Außenumfang erstreckt. Es können auch nur Teile des Außen- und des Innenumfanges des Rundelementes 30 mit den genannten Siliziumschichten versehen sein.
Der Verfahrensschritt beim Übergang von der 1a über die 1b und 1c ist nur beispielhaft zu verstehen. Es muss nicht unbedingt eine mechanische Biegung eines plattenförmigen dünnen folienartigen Photovoltaik-Moduls gegeben sein, welches in biegbarer Form vorliegt, sondern es kann auch vorgesehen sein, dass in einem Trägermaterial, welches als Schlauch oder als mindestens Röhre ausgebildet ist, die genannten Siliziumschichten 24, 25 jeweils außen und innen aufgedampft, aufgesputtert oder in anderer Weise aufgebracht werden, um so leitfähige Siliziumschichten 24, 25 mit daran angehefteten Elektroden 6, 7 zu erbringen.
Ebenso können solche Siliziumschichten 22, 25 durch Brühauftrag, wie z. B. einen Druck über Tintenstrahldruck und dergleichen aufgebracht werden. Die Schichten können auch andere PV-Halbleiter-Materialien sein!
Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist, dass man die herkömmlichen plattenförmigen Photovoltaik-Module nun als Rundelemente ausbildet, wobei die Erfindung auch vorsieht, dass diese Rundelemente nicht vollständig rund und in sich geschlossen sind, sondern sie können auch halbrund oder viertelrund ausgebildet sein.
Die Verfahrensschritte nach den 1a, 1b und 1c zeigen also nur die gedankliche Herstellung eines solchen plattenförmigen Photovoltaik-Moduls, welches schließlich als in sich geschlossenes Rundelement 30 ausgebildet wird, wie in 1c dargestellt ist.
Die 2 zeigt nun weitere Einzelheiten eines nach 1c hergestellten Rundelementes, wo erkennbar ist, dass ein solches Rundelement entweder als Längselement 2 oder als Querelement 3 ausgebildet sein kann.
Es besteht nach der vorstehenden Beschreibung aus einer Beschichtung aus Silizium 5, die den PN-Übergang nun als konzentrischen Kreis in sich trägt, so dass hierbei in einem rundprofilierten Rundelement 30 an der Elektrode 6 eine Ableitung 14 für den Pluspol und eine Elektrode 7 eine Ableitung 13 für den Minuspol vorgesehen ist.
Es ist dargestellt, dass die Siliziumschicht 5 an ihrer Außenumwandung von einer transparenten oder zumindest transluzenten Rohrwandung 4 umgeben ist, die bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist. Dieses Kunststoffmaterial ist bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial, bevorzugt aus einem transparenten Karbon-Material.
Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Die Rohrwandung 4 hat eigentlich nur mechanisch stabilisierende Wirkung, um die Siliziumbeschichtungsschichten 24, 25 in Form der ringsumlaufenden Beschichtung 5 zu halten und zu stabilisieren.
Statt der Rohrwandung 4 aus einem Kunststoffmaterial oder einem Karbonmaterial können auch sämtliche anderen hochreflektierenden Spiegelschichten verwendet werden, wie z. B. eine spiegelnde Metallschicht, wo z. B. Metallpartikel in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind und eine hochspiegelnde Oberfläche bilden.
Entscheidend bei dem nach 2 ausgebildeten Photovoltaik-Längs- oder Querelement 2, 3 ist nämlich, dass der Außenumfang eine hochverspiegelte Reflexionsfläche 34 bildet, wobei es jedoch auch schon vorgesehen sein kann, dass gemäß 1c der Außenumfang der außenliegenden Siliziumschicht ebenfalls bereits schon als Reflexionsschicht 34 ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf dotierte Siliziumschichten 24, 25 beschränkt, sondern es können sämtliche bekannten Halbleiterschichten verwendet werden, die in geeigneter Weise dotiert sind, um beim Einfall von Sonnenlicht (Photonen) einen entsprechenden Impuls für Strom erzeugen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung zeigt die 2, dass die Siliziumbeschichtung 5 innen hohl ist, d. h. einen Hohlmantel 8 bildet, der seinerseits bevorzugt als Luftraum ausgebildet ist.
In diesem Luftraum des Hohlmantels 8 ist hierbei ein Schlauch 9 eingesetzt, der möglichst flüssigkeits- und gasdicht ausgebildet ist.
Der Schlauch 9 kann auch aus einem andern Kunststoffmaterial bestehen, das den Vorzug hat, dass es flexibel ist, leicht biegbar ist und dennoch flüssigkeits- und gasdicht ausgebildet.
Der Schlauch 9 wird also durch einen Schlauchmantel 10 gebildet und im durch den Schlauchmantel 10 gebildeten Hohlraum 11 kann nun erfindungsgemäß, z. B. in Pfeilrichtung 12, ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas) als Kühlflüssigkeit oder als Wärmeträger geführt werden.
Bevorzugt wird eine Kühlflüssigkeit dort geführt, weil durch das Einbringen einer Kühlflüssigkeit ein Temperaturgradient zwischen dem Außenumfang der Rohrwandung 4 und dem Innenraum des mit Fluid gefüllten Hohlraumes 11 entsteht und dieser Temperaturgradient – je höher desto besser – zu einer wesentlichen Effizienzsteigerung bei der Stromgewinnung durch das erfindungsgemäße Photovoltaik-Rundelement beiträgt.
Die 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 2, wo erkennbar ist, dass der Hohlmantel 8 nicht mit einem Schlauch 9 versehen ist, sondern der Hohlmantel 8 selbst als Hohlraum ausgebildet ist, durch den ein gasförmiges Kühlmedium hindurchgeführt werden könnte.
In einer dritten Ausführungsform kann auf die Hindurchführung eines gasförmigen Kühlmediums verzichtet werden, und der Hohlmantel 8 ist dann einfach luftgefüllt, ohne dass es zu einer Strömung eines Mediums in Pfeilrichtung 12 kommt.
In den 4 und 5 sind verschiedene Abweichungen von der rundprofilierten Querschnittsform eines Rundelementes 30 nach 1c und den 2 und 3 dargestellt. So ist nur beispielhaft dargestellt, dass statt eines Rundelementes ein Sechseck, ein Mehreck, ein oval oder beliebiger anderer Rundquerschnitt verwendet werden können, die von der rundzylindrischen Form auch abweichen können.
Ebenso können rinnenförmige, parabolförmige oder anders geformte Körper verwendet werden.
Die 6 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel ein aus den Rundelementen 30 gebildetes Photovoltaik-Modul 21 in Form einer Strangstruktur, wo die aus Rundelementen 30 gebildeten Längselemente 2 parallel und in gegenseitigem Abstand nebeneinander angeordnet sind, und dazwischen sind geeignete Abstandshalter 30 angeordnet, welche die zur Stromgewinnung geeigneten Längselemente auf Abstand halten.
Die Anordnung von Abstandshaltern 35 ist jedoch nicht lösungsnotwendig. Es können noch andere Maßnahmen getroffen werden, um die zur Stromgewinnung und Wärmegewinnung verwendeten Längselemente 2 auf einen definierten Parallelabstand zu halten.
Ebenso ist nicht dargestellt, dass das Strangelement in Form des Photovoltaik-Moduls 21 nach den 6 und 7 auch in beliebiger Weise dreidimensional oder zweidimensional gewölbt oder in anderer Weise verformt sein kann.
Es ist dargestellt, dass ein Direktlicht (Sonnenlicht) in Pfeilrichtung 15 auf die Oberfläche der Rundelemente (Längselemente 2) auftrifft und hierbei durch die stark reflektierende Mantelfläche (Reflektionsflächen 34) in vielfältiger Form in Reflektions- und Streulicht aufgeteilt wird, so dass seine starke Effizienzsteigerung durch gegenseitige Bestrahlung der benachbart angeordneten Längselemente 2 gegeben ist.
Auf diese Effizienzsteigerung wird anhand der 8 und der folgenden Figuren noch näher eingegangen.
Die 8 zeigt eine solche Darstellung nach 6 und 7, wo genauer dargestellt ist, dass die Längselemente 2 nach 2 durch Streulicht und Reflektionslicht sich gegenseitig bestrahlen und so eine starke Effizienzsteigerung bewirken.
Wenn man davon ausgeht, dass die Sonne 32 vom Osten nach Wesen in Pfeilrichtung 31 von einer niedrigen Sonnenhöhe in eine größere Sonnenhöhe bei den Positionen 32', 32'' und 32''' wandert, lässt die 8 erkennen, dass die dadurch gebildeten Sonnenstrahlen 33 stets auf eine andere Fläche auf den Außenumfang der Längselemente 2 optimal auftreffen, dort vielfältig an den Reflektionsflächen 34 reflektiert werden und in Streulicht und Reflektionslicht 16, 17 aufgeteilt werden. Dies führt dazu, dass sich die Längselemente 2 gegenseitig mit Streu- und Reflektionslicht 16, 17 bestrahlen, ohne dass es auf eine direkte Sonneneinstrahlung in Pfeilrichtung 33 ankommt, weil durch die Streu- und Reflektionslichtanteile 16, 17 eine weitere Bestrahlung auch der vom Sonnenlicht z. T. abgewandten Seiten der Längselemente 2 erfolgt.
Dies war im Stand der Technik bisher nicht bekannt und führt zu einer nicht bisher bekannten Effizienzsteigerung bei der Stromgewinnung, weil der gesamte Umfang der Längselemente 2 von Licht getroffen wird.
Statt der lediglich in Längsrichtung parallel und in gegenseitigem Abstand zueinander angeordneten Längselementen 2 ist zeichnerisch nicht dargestellt, dass entsprechende Längselemente 2 und dazugehörende Querelemente 3 eine plane Gitterstruktur bilden können, wobei die Längselemente 2 in einer ersten Ebene oberhalb der quer dazu verlaufenden und eine untere Ebene bildenden Querelemente 3 angeordnet sind.
Dies wäre eine Ergänzung zur 6 und 7 sowie zur 8, so dass also in der einen Richtung verlaufende Längselemente 2, die in gegenseitigem Abstand und parallel zueinander angeordnet sind, von einer unteren Ebene noch unterlegt sind, bei denen Querelemente senkrecht zu den Längselementen 2 verlaufen und die ebenfalls in senkrechte Richtung zu den Längselementen angeordnet sind und eine zweite Ebene unterhalb der Längselemente 2 bilden.
Als weitere Ausführungsform ist in 9 dargestellt, dass eine solche in zwei Ebenen verlaufende Gitterstruktur auch als Gewebestruktur ausgebildet sein kann, so wie dies in 9 dargestellt ist.
Es ist lediglich als Beispiel dargestellt, dass die Querelemente 3 zum Beispiel als Schussfäden und die Längselemente 2 als Kettfäden ausgebildet sind, wobei das so gebildete Photovoltaik-Modul 1 in Form einer Gewebestruktur bevorzugt in Längsrichtung unendlich weit sich erstrecken kann und deshalb die in Längsrichtung verlaufenden Längselemente 2 bevorzugt zur Stromgewinnung dienen, während die Querelemente 3 zur Stabilisierung der Gewebestruktur dienen und noch zu einer zusätzlichen Stromgewinnung herangezogen werden. Durch diese Gewebestruktur werden sogenannte Sonnenfallen gebildet, weil sich die Längselemente 2 und die dazu in der Gewebestruktur verlaufenden Querelemente 3 gegenseitig bestrahlen und mit Streulicht und Reflektionslicht bestrahlen, wodurch es zu einer Effizienzsteigerung kommt, wie es schließlich anhand der 13 noch näher erläutert werden wird.
Die 10 zeigt die Draufsicht auf die Anordnung nach 9, wo weitere Einzelheiten dargestellt sind.
Es ist zunächst erkennbar, dass es nicht auf eine gleichmäßige Verteilung von Kett- und Schussfäden (Längselementen 2 und Querelementen 3) ankommt. Es können auch unregelmäßige Kett-Schussfäden-Bindungen gewählt werden, wie es bei den üblichen Gewebebindungen bekannt ist.
Statt einer Gewebebindung können auch andere Bindungsmaßnahmen getroffen werden, wie sie in der textilen Gewebebindung bekannt sind.
Durch die Gewebestruktur nach den 9 und 10 soll eine mechanische Festigkeit erzielt werden, die natürlich auch dadurch erzielt werden kann, dass beispielsweise in den Kreuzungspunkten, wo sich die Längselemente 2, 3 kreuzen, eine entsprechende Verklebung oder eine sonstige mechanische Fixierung stattfindet.
Wie bereits schon vorhin erwähnt, ist es bevorzugt, wenn die Längselemente 2 praktisch ohne Unterbrechung fortgesetzt werden und die Stabilisierung nur durch die Querelemente 3 erfolgt, wobei jedoch beide Elemente 2, 3 für die Wärme und Stromgewinnung herangezogen werden oder zumindest herangezogen werden können.
Die 10 zeigt, dass die Querelemente 3 Abschattungsbereiche 19 oberhalb der Längselemente 2 bilden, und umgekehrt schatten die Längselemente 2 auch in Form von Abschattungsbereichen 18 die darunter laufenden Querelemente 3 ab.
Wichtig hierbei ist, dass diese Abschattungselemente durch die Reflektions- und Streulichtanteile 16, 17 (siehe die 13) so aufgehoben werden, dass sich eine wesentliche Effizienzsteigerung bildet und dass die Abschattungsbereiche 18, 19 im Prinzip entfallen, weil diese durch entsprechendes Streulicht- und Reflektionslichtanteile aufgefüllt werden.
Die sich in der Gewebestruktur ergebenden Zwischenräume 36 können beliebig klein gewählt werden oder sogar gegen null gehen.
Wichtig ist, dass die in 10 gezeigte Photovoltaik-Matte in beliebiger Weise gebogen oder verformt werden kann, weil sie längs und querflexibel ausgebildet ist.
Die 11 und 12 zeigen die gleiche Darstellung wie 10, wo lediglich der zeichnerischen Vereinfachung wegen Schnittzeichnungen gemacht sind. Die 11 zeigt hierbei den Schnitt gemäß der Linie A in 10, während die 12 den Schnitt gemäß der Linie B in 10 zeigt.
Aus 13 gehen weitere Einzelheiten bezüglich der erfindungsgemäßen Effizienzsteigerung bei der Stromgewinnung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Rundelemente 2, 3 hervor.
Es ist erkennbar, dass das in Pfeilrichtung 15 auftreffende Direktlicht (Sonnenlicht 33) an der stark reflektierenden Oberfläche (Reflektionsfläche 34) jedem beliebigen Längselementes 2 und des dazugehörenden Querelementes 3 reflektiert wird und hierbei eine Vielzahl von Streulicht 16 und Reflektionslicht 17-Anteilen entstehen und sich die Längselemente 2 und Querelemente 3 gegenseitig belichten, so dass das auftreffende Direktlicht 15 in vielfältiger Form aufgespaltet und als Streu- und Reflektionslicht auf alle anderen Längs- und Querelemente 2, 3 verteilt wird.
Hierdurch kommt es zu einer starken Steigerung der Belichtung der einzelnen Oberflächen der Längs- und Querelemente 2, 3, auch in den Abschattungsbereichen 18, 19, ohne dass hierbei ein Effizienzverlust (Einstrahlungsverlust) zu befürchten wäre.
Hieraus ergibt sich der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung. Theoretisch lässt sich sogar eine Verdopplung der Belichtungsleistung auf den Oberflächen der Längs- und Querelemente 2, 3 erzielen, weil durch die Anordnung von Streu- und Reflektionslichtanteilen, die zu einer gegenseitigen Belichtung der auch abgeschatteten Bereiche führen, einer vollumfänglichen Bestrahlung aller Anteile aller Längs- und Querelemente führt.
Dank der Gewebestruktur oder der Gitterstruktur wird auf der gleichen Grundfläche eines Photovoltaik-Moduls eine wesentlich größere effizientere Fläche erstellt, nämlich etwa eine neunfach größere Fläche im Vergleich zu einer ebenen Fläche, die nur in einer Ebene (X-Y-Ebene) sich erstreckt.
Durch die gegenseitige Versetzung und auf Lückeanordnung der einzelnen Längs- und Querelemente kommt es also zu einer Verneunfachung der effektiven Fläche eines Photovoltaik-Moduls 1 und dementsprechend zu einer wesentlichen Erhöhung der Stromausbeute, die noch weiter dadurch gesteigert wird, dass sich die Längs- und Querelemente 2, 3 noch gegenseitig durch Streu- und Reflektionslichtanteile 16, 17 bestrahlen.
Wichtig ist auch, dass es keiner Nachführung eines erfindungsgemäßen Photovoltaik-Moduls 1 dem Sonnenlauf entsprechend bedarf, weil, wie die 8 zeigt, die Bestrahlung der einzelnen Rundelemente vom Sonnenlauf unabhängig ist, weil unabhängig vom Einstrahlwinkel der Sonnenstrahlen 33 stets eine wirksame Oberfläche der Rundelemente 30 getroffen und bestrahlt wird und diese reflektierende Oberfläche das Direktlicht von Pfeilrichtung 15 in die Streulichtanteile 16, 17 weitergibt.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaik-Modul
2: Längselement (Haupt-)
3: Querelement
4: Rohrwandung (transparent oder transluszent)
5: Beschichtung (z. B. Silizium)
6: Elektrode
7: Elektrode
8: Hohlmantel
9: Schlauch
10: Schlauchmantel
11: Hohlraum (Flüssigkeit)
12: Pfeilrichtung
13: Ableitung
14: Ableitung
15: Pfeilrichtung (Direktlicht)
16: Streulicht
17: Reflektionslicht
18: Abschattungsbereich (unten)
19: Abschattungsbereich (oben)
20: Geflecht
21: Photovoltaik-Element
22: Kontaktelement
23: Kontaktelement
24: (+)-Silizium
25: (–)-Silizium
26: PN-Übergang
27: Antireflex-Schicht
28: Plattenelement
29: Pfeilrichtung
30: Rundelement 30'
31: Pfeilrichtung
32: Sonne
33: Sonnenstrahl
34: Reflexionsfläche
35: Abstandshalter
36: Zwischenraum

Claims

Photovoltaik-Modul (1) für eine Solarzelle, welches aus einer positiv dotierten Siliziumschicht (24) mit einem Kontaktelement (23) und einer Elektrode (6), einem PN-Übergang (26) und einer sich daran anschließenden negativ dotierten Siliziumschicht (25) mit einem Kontaktelement (22) und einer Elektrode (7) besteht, wobei an den beiden stromleitenden Elektroden (6, 7) ein Gleichstrom abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaik-Modul (1) im Wesentlichen als Rundelement (30) ausgebildet ist.
Photovoltaik-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rundelement (30) eine vierteloffene, halboffene oder vollkommen geschlossene Form aufweist.
Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rundelement (30) strangförmig ausgebildet ist und entweder als Längs- oder als Querelement (2, 3) Teil einer Gewebestruktur, einer Gitterstruktur oder eine Wirkstruktur ist.
Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Rundelemente (30) bestehende Struktur eine dreidimensionale Formgebungen mit konvexen oder konkaven Wölbungen aufweist.
Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die negativ dotierte Siliziumschicht (25) eine Antireflex-Schicht (27) aufweist
Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass statt der Siliziumschichten (24, 25) jede andere Halbleiterschicht einsetzbar ist, die durch den Einfall von Licht einen entsprechenden Strom erzeugt.
Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Längs- und Querelement (2, 3) an ihrem Außenumfang eine Reflexionsschicht (34) aufweisen.
Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Längs- oder Querelement (2,3) im Inneren eine Beschichtung (5) aufweist, an welche sich ein Hohlmantel (8) anschließt.
Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlmantel (8) ein Schlauch (9, 10) einsetzbar ist, welcher flexibel ist und für das Durchströmen von Flüssigkeiten oder Gasen ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines runden Photovoltaik-Moduls, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt, ein streifenförmiges Photovoltaik-Modul (1), das im Wesentlichen aus einer positiv dotierten Siliziumschicht (24) mit einer daran angeordneten Elektrode (6), einem PN-Übergang (26) und einer sich daran anschließenden negativ dotierten Siliziumschicht (25) mit daran angeordneten Elektrode (7) besteht, in eine erste halbrunde Form (30') gebogen wird und anschließend in einer vollkommen runde Form (30) gebogen wird, welche an ihrem Innenumfang die positiv dotierte Siliziumschicht (24) und an ihrem Außenumfang die negativ dotierte Siliziumschicht (25) aufweist.