DE102011050332A1

DE102011050332A1 - Energiewandlerkonzentratorsystem

Info

Publication number: DE102011050332A1
Application number: DE102011050332A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-08-16
Also published as: CN103958983A; AU2012101946A6; AU2012101946A4; US20140174503A1; JP2014511472A; WO2012107562A1; AU2012215380A1; EP2673570A1; DE102011050332A9

Abstract

Energiewandler-Konzentrator-System zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische und/oder thermische Energie enthaltend mindestens einen Energiewandler, wobei der Energiewandler mindestens ein Teilelement aufweist, mindestens eine konzentrierende Optik zur Konzentration von einfallendem Sonnenlicht, und mindestens einem Nachführsystem, welches das mit dem Sonnenlauf wandernde konzentrierte Sonnenlicht gerichtet empfängt, wobei dem mindestens einem Nachführsystem mindestens einen Energiewandler angeordnet ist, welches auf der dem einfallenden Sonnenlicht abgewandten Seite der mindestens einen konzentrierenden Optik beabstandet angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiewandlerkonzentratorsystem mit mindestens einer konzentrierenden Optik, mindestens einem Energiewandler und einem Nachführsystem. Ebenso betrifft die Erfindung ein Energiewandler oder ein Energiewandlermodul und ein Konzentratorsystem, welche eine optische Nachführfunktion aufweist. Derartige Module werden im Bereich der Solartechnik verwendet.
Energiewandler-Module sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Es gibt unterschiedliche Ansätze, höhere Wirkungsgrade im Bereich der Solarthermie wie auch im Photovoltaik zu erzielen. Bei beiden Systemen ist die konzentrierte Einstrahlung als auch der gerichtete Einstrahlungswinkel für einen höheren Wirkungsgrad von Vorteil. Hier kommen ein- und zweiachsige Nachführsysteme, optische Konzentratoren wie Linsen und Spiegel zum Einsatz.
Grundsätzliches Bestreben ist es, eine möglichst hohe Energieausbeute und geringe Produktionskosten zu erzielen. Studien mit Nachführsystemen etwa, bieten durch die geregelte Lichtlenkung einen Mehrertrag von 30% oder mehr in der Photovoltaik. In der Gebäudeintegration jedoch, ist die Nachführung vor allem im Fassadenbereich mit konventionellen Flachmodulen, durch Neigung der Anordnung, des Azimut und der Sonnenstandshöhe nur schwer realisierbar und wird meist im Kraftwerksbereich der solarthermischen als auch photovoltaischen Energiegewinnung, wie etwa in WO2007093422A1 offenbart, großflächig eingesetzt. Die hohen Abschattungsverluste treten vor allem in den vertikalen Neigungsanordnungen der Module auf, so dass beispielsweise für die Breitengrade von etwa 54° bis 47° nördlicher Breite und 6° bis 12° östlicher Länge eine optimierte Neigungsanordnung von Durchschnittlich 35° errechnet wurde. Im weiteren sind die Anforderungen der Steuerung an Genauigkeit und Stabilität bei Nachführsystemen für Kollektormodule sehr hoch und Kostenintensiv und werden meist individuell und Standortabhängig errechnet. Statische Parameter wie die Berechnung von Wind- und Schneelasten, dimensionieren und begrenzen die Systeme entsprechend. Im weiteren besteht durch eine gegenseitige mögliche Abschattung ein hoher Flächenbedarf welches einen weiteren Kostenfaktor darstellt. Dem gegenüber steht aber im photovoltaischen Bereich die Reduzierung der teuren Halbleiterflächen, wie auch Silizium, und die erreichbaren höheren Wirkungsgrade. Hier werden hauptsächlich Fresnellinsen als Konzentratoroptiken eingesetzt und die hochempfindlichen Solarzellen im geschlossenen System beispielsweise mit Wärmesenken oder IR-Hologrammstrukturen auf stabiler Arbeitstemperatur gehalten.
In der Solarthermie zur Energiegewinnung über Wärme, werden ähnliche Konzepte wie im photovoltaischen Bereich verfolgt. Die Kollektoren erreichen Temperaturbereiche bis zu 450° Celsius und mehr und bedienen sich entsprechender Wärmeträgermittel, um Wärme direkt zu nutzen, oder zu koppeln. Bei der Gebäudeintegration werden häufig Absorbermodule als Flachkollektoren oder Vakuum-Röhrenkollektoren für beispielsweise die Brauchwassererwärmung eingesetzt. Hier liegen die erreichbaren Arbeitstemperaturen zwischen etwa 40° und 130° Celsius. Auch hier ist der Kollektorneigungswinkel ein Faktor für höhere Wirkungsgrade, wobei die Flachkollektoren beispielsweise bei den meisten Systemen nicht liegend angeordnet werden können.
Im solarthermischen Kraftwerksbereich etwa, werden Parabolrinnen, Fresnel-Spiegel-Kollektoren, Heliostaten bei Turmkraftwerken und Paraboloidspiegel hauptsächlich mit ein- oder zweiachsiger Nachführung zur Konzentration in Vakuum-Röhrenkollektoren oder speziellen Receivern eingesetzt. Nachteilig bei bekannten Systemen mit Spiegelflächen sind die hohen Wartungskosten, da beispielsweise die Oberflächen empfindlich gegen Kratzer sind und dadurch Aberrationen erhöhen. Es bleibt festzuhalten, dass kostengünstige Lösungen zur Nachführung bislang nicht erreicht wurden. Im allgemeinen gilt für jede Art von Halbleitertechnologie und thermischer Wärmewandlung der Grundsatz und die Theorie, dass ein optimaler gebündelter Einstrahlungswinkel die höchsten Wirkungsgrade erzielt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik zu überwinden und ein Energiewandlerkonzentratorsystem, ein Energiewandler sowie eine optisch konzentrierte Nachführfunktion zur Verfügung zu stellen, welche auf einfache und kostengünstige Art und Weise zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Energiewandlungssystem ermöglichen und eine Möglichkeit liefern, ohne bekannte Nachführsysteme näher an Wirkungsgradsteigerung heranzukommen.
Die Aufgabe wird durch das Energiewandlerkonzentratorsystem nach Anspruch 1, die Konzentratoroptik oder das Konzentratorsystem nach Anspruch 3 und das Energiewandlungsmodul nach Anspruch 10 und 26 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Energiewandlerkonzentratorsystem zur direkten Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische und/oder thermische Energie bereitgestellt, welches mindestens eine konzentrierende Optik und mindestens eine Solarzelle und/oder ein Absorbermodul aufweist. Die konzentrierende Optik ist dabei so angeordnet, dass eine optimale Nachführung der einfallenden Strahlung durch Bündelung erreicht wird und konzentriert mit gerichteter ausfallender Strahlung auf ein Energiewandler-Modul, welches eine zur Optik geformte Anordnung hat, emittiert wird. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von konzentrierender Optik zu Energiewandler-Modul im folgenden Photovoltaik-Modul und/oder Absorbermodul benannt, wird ein gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Gesamtwirkungsgrad gegenüber konventionellen Kollektoren, insbesondere Flachkollektoren erreicht, wobei der Abstand von der konzentrierenden Optik und den Energiewandlermodulen vom betrachteten Aufbau abhängt und zwischen weniger als einem Millimeter und einigen Metern variieren kann. Vorzugsweise beträgt der Abstand jedoch zwischen 1 mm bis 10 m, insbesondere zwischen 2 mm und 50 mm oder zwischen 10 cm und 500 cm. Erfindungsgemäß ist die konzentrierende Optik eine transparente Kugel aus Glas, wie beispielsweise Kalknatronglas, Bleiglas, Borosilicatglas und optisches Glas, oder organisches Glas wie Harze und Polymere und andere Kunstoffe. Die Materialien können Kombiniert oder alleine verwendet werden. Entscheidend ist die Brechzahl n, die einen Faktor 2 nicht überschreiten sollte. Bevorzugt wird eine Brechzahl zwischen 1 und 2 n. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kugel eine transparente Hohlkugel Flüssigkeitsgefüllt, wobei sich als Flüssigkeit Wasser, Ethanol, Glykol oder andere chemische Flüssigkeiten eignen. Die Flüssigkeiten können alleine verwendet oder Kombiniert werden. Erfindungsgemäß kann die Hohlkugel so realisiert werden, dass sie aus einem oder mehreren Teilen besteht. Als Material kommen Kalknatronglas, Bleiglas, Borosilicatglas und optisches Glas, oder organisches Glas wie Harze und Polymere und andere Kunstoffe in Frage. Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus mindestens einer transparenten Kugel oder einer Hohlkugel mit mindestens einer Flüssigkeitsfülllung als Konzentratoroptik, die das einfallende Sonnenlicht konzentriert und damit die Intensität der ausfallenden Strahlung erhöht, wird die einfallende Strahlung auf das Absorbermodul optimiert, wobei der Abstand der Brennebene vorteilhaft auf die Absorbermodule eingestellt werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die transparente Hohlkugel an der Innenseite, also der Seite die dem Absorbermodul zugewandt ist, mindestens einen selektiven Filter auf, dabei derart ausgebildet, dass er für Licht aus einem Blickwinkelbereich, aus welchem konzentriertes Sonnenlicht einfällt, transparent ist und Licht ausserhalb dieses Blickwinkelbereichs reflektiert. Das hat den Vorteil, dass bei dieser Anordnung die Konzentration des Lichtes erhöht wird, da der selektive Filter beispielsweise als Interferenzschichtfilter, welche als Rugate und/oder Kantenfilter ausgebildet sein können, oder 2D oder 3D photonische Kristalle, in Form von normalen und/oder invertierten Opale, eingetretenes Licht am Wideraustritt hindert und im weiteren das durch Rekombination in der Solarzelle erzeugte Licht reflektiert, damit es von dem Absorbermodul ausgenutzt werden kann. Der Ort des Filters kann jedoch beliebig zwischen Absorbermodul und konzentrierender Optik gewählt werden. Sinnvollerweise ist der flüssigkeitsgefüllten Hohlkugel mindestens ein Ventil zur Flüssigkeitsfüllung bzw. Kontrolle und Regulierung angeordnet. Vorteilhaft wird das Ventil beispielsweise an der oberen Seite der Azimutachse angeordnet, um Luftbildungen zu regulieren. Dem Energiewandlerkonzentratorsystem kann bei einer beispielsweise schwer realisierbaren Grösse auch eine Hilfskonstruktion in Form einer außenliegenden Stabkonstruktion, beispielsweise aus Stahl angeordnet sein.
Eine bevorzugte Variante sieht im wesentlichen vor, dass Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt wird und mindestens eine konzentrierende Optik, angeordnet auf mindestens einer Abdeckplatte, mindestens einen halbschalenförmigen Körper mit mindestens einer aufgebrachten Solarzelle wie z. b. Siliziumsolarzellen oder Dünnschichtsolarzellen oder III–V Solarzellen (Mehrfach-Stapelzellen) oder transparente bzw. organische Solarzellen, einen Halterahmen und eine Bodenplatte aufweist.
Die konzentrierende Optik, hierbei eine transparente Kugel oder transparente Hohlkugel Flüssigkeitsgefüllt, ist der transparenten Abdeckplatte, hierbei aus Glas, Plexiglas oder Acryl, vorzugsweise eingespannt, so angeordnet, dass Teilflächen die der einfallenden Strahlung zugewandten Seite der Abdeckplatte durchdringen. Diese Anordnung erlaubt es, dass der Raumwinkel bzw. der Blickwinkel der einfallenden Strahlung erhöht wird, so dass gewährleistet ist, dass die Solarzellen vom durch die konzentrierende Optik gebündeltem Licht vorteilhaft ausgeleuchtet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen System ist es aber auch möglich, dass zwischen der Abdeckplatte und der transparenten Kugel oder der transparenten Hohlkugel zumindest bereichsweise eine Verbindungsschicht angeordnet ist. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Laminier oder Klebeschicht. Die Verbindungsschicht ist dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethylenvinylacetat, Polyvinylbutyral, Klebeschicht auf Acrylat-Basis, oder Schmelzklebern wie Polyamiden, Polyethylen, amorphen Polyalphaolefinen, Polyester-Elastomeren, Polyurethan-Elastomeren, Copolyamid-Elastomeren, Vinylpyrrolidon/Vinylacetat Copolymeren oder Polyester, Polyurethan, Epoxid, Silikon und Vinylester-Harzen. Andererseits kann die Abdeckplatte erfindungsgemäß auch so realisiert sein, dass die transparente Kugel Teil dieses Körpers ist und bevorzugt aus demselben Material besteht. Eine weitere bevorzugte Variante der Abdeckplatte sieht vor, hierbei in mehreren Schichten aufgebaut, dass auf den Restbereichen beziehungsweise umlaufenden Randbereichen der Aperturfläche der Kugelfläche Solarzellen aufgebracht werden. Beispielsweise ist der Schichten Aufbau zur einfallenden Strahlung wie folgt: Glas - Ethylenvinylacetat/Polyvinylacetat - Solarzellen - EVA/PVB - Tedlar (Polyvinylflorid) - Kunststoff/Aluminum - Tedlar. Die Schichten können in beliebiger Aufschichtung miteinander verbunden werden. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Abdeckplatte vor, also der einfallenden Strahlung zugewandten Seite, der transparenten Kugel angeordnet und wird von dem Halterahmen gehalten. Dies ermöglicht die Herstellung von glatten, planen Oberflächen des Moduls und einer unabhängigen vorteilhaften Anordnung der konzentrierenden Optik im Innenraum des Moduls. Hierbei wird die konzentrierende Optik vorzugsweise durch ein justierbares Verbindungselement gehalten, welches in wenigstens einer Achse verschiebbar oder schwenkbar ist.
Der halbschalige Körper, hierbei bevorzugt ein Ausschnitt einer Sphäre, von einem justierbaren Verbindungselement gehalten, trägt die Zellen und ist zumindest in einer Achse Ausrichtbar und im folgenden Photovoltaik-Modul benannt. Besonders bevorzugt sind Photovoltaik-Modul und Verbindungselement zueinander in allen drei translatorischen Richtungen x, y und z zueinander verschiebbar und/oder schwenkbar. Aktoren wie beispielsweise Zylinder oder elektromechanische Aktoren sind für das Bewegen der Verbindungselemente denkbar. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Photovoltaik-Modul unabhängig vom sonnengerichteten Azimut der Sonnenstandshöhe und bei Anordnung, wie Neigung einer Fassade, optimal dem Sonnenlauf angepasst werden kann und so Flächenbezogen auf ein Minimum der Jahressonnenläufe eines unbestimmten Standorts gestaltet werden kann. Erfindungsgemäß kann das Photovoltaik-Modul auch dem justieren der Brennebene dienen, welches den Abstand zur konzentrierenden Optik darstellt. Bevorzugt wird eine hohe Konzentration. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Photovoltaik-Moduls, kann dieses auch so realisiert sein, dass es die Hälfte oder einen Teil der konzentrierenden Optik umgreift und eine Reihenschaltung ermöglicht. Dies hätte den Vorteil, dass ein justieren entfallen würde und die größere Fläche auch mit Zellen belegt werden könnte aber nicht muss. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Photovoltaik-Modul auch eine zylindrische Form haben. Diese kann ein Ausschnitt aus einem Rohr sein oder eine plane biegsame geschnittene Fläche. In diesem Fall wäre dies aber wieder ein dem Sonnenlauf optimierter Ausschnitt. Vorzugsweise dient der halbschalige Körper als Wärmesenke um die Betriebstemperatur der Solarzellen zu senken, welches den Wirkungsgrad stabilisiert und konstant hält. Als Material für den halbschaligen, zylindrischen oder gebogenen Körper eignen sich Verbundstoffe, Plexiglas, Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylglas, andere Kunststoffe und Glas sowie Stahl, verzinkter Stahl, Edelstahl, Aluminium und/oder andere Metalle. Die Materialien können Kombiniert oder alleine verwendet werden. Auch abschnittsweise Realisierungen der oben genannten Bauweisen liegen im Bereich der Erfindung. Die Verbindungselemente können erfindungsgemäß Teil des Halterahmens sein. Sie können dabei beliebiger Form sein. Sie können beispielsweise schraubare Elemente aufweisen um ein justieren von der Aussenseite des Moduls zu ermöglichen oder steckbar realisiert sein, um eine mechanische Verbindung des Moduls mit anderen Modulen zur Reihenschaltung bereitzustellen. Erfindungsgemäß können die Verbindungselemente auch für die elektrische Durchführung, vorzugsweise feuchtigkeits und/oder gasdicht und/oder als Lüftungsöffnung gestaltet sein. Diese elektrische Durchführung kann im inneren mit den Solarzellen beispielsweise durch einen Draht verbunden sein und dient dann der elektrischen Verschaltung der Solarzellen mit Vorrichtungen im Aussenraum oder zur Reihenschaltung. Erfindungsgemäß grenzt der Halterahmen des Moduls den Solarzellen enthaltenden Raum, im folgenden als Innenraum bezeichnet, gegen den Aussenraum ab. Als Halterahmen wird die Gesamtheit aller Komponenten bezeichnet, die Abdeckplatte und Bodenplatte an deren Rand verbinden. Vorzugsweise dient der Rahmen darüber hinaus, der Befestigung von Vorrichtungen, welche den Betrieb des Photovoltaik-Moduls als einzelnes oder im Verbund mit anderen Modulen unterstützt. So kann zum Beispiel eine Halterung angeschraubt oder angeschweisst werden, mit welcher sich das Photovoltaik-Modul montieren und/oder justieren lässt. Die Halterung kann derart gestaltet sein, dass sie eine Verbindung von Modulen zum Beispiel durch Einhängen, Verschrauben und/oder Stecken erlaubt. Die Halterung kann vorzugsweise elektrisch leitende Komponenten enthalten, um zum Beispiel ein Erden des Photovoltaik-Moduls zu ermöglichen. Als Materialien für den Rahmen und der Verbindungselemente eignen sich Verbundstoffe, Plexiglas, Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylglas, andere Kunststoffe und Glas sowie Stahl, verzinkter Stahl, Edelstahl, Aluminium und/oder andere Metalle. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Rahmens kann dieser zur Wärmedämmung aus Hohlprofilen bestehen oder mit Dämmaterial versehen und/oder gefüllt werden, um Wärme im Innenraum zu regulieren. Als Dämmmaterialien eignen sich vorzugweise geschäumte Kunstoffe wie Polystyrol und Polyurethan. Auch ist es erfindungsgemäß denkbar, dass Teilbereiche des Rahmens so gestaltet sind, dass eine Reflektionsfläche im Innenraum angeordnet ist, die beispielsweise die Aufgabe hat den umlaufenden Randbereich der Aperturfläche der konzentrierenden Optik zu nutzen, hierbei eine bestimmte Streuung oder Diffusität der Bandbreite der spektralen Aufteilung des Sonnenlichts nutzt, und eine weitere Konzentration von Strahlung ermöglicht. Die Materialien können Kombiniert oder alleine verwendet werden. Vorzugsweise können hier auch Dichtmassen wie zum Beispiel elastisches Silikon oder technische Kleber zum Abdichten und für auftretende Temperaturspannungen untergebracht werden. Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass die Kombination aus Abdeckplatte, Bodenplatte und Halterahmen eine Herstellung von grossen Modulen ermöglicht, um zum Beispiel technisch schwer realisierbare Grössen herzustellen. Hierbei wird eine Vielzahl von Abstandshaltern eingebracht, um Längsausdehnungen zu stützen. Sinnvoller Weise werden diese auf der Bodenplatte angeordnet. Die Bodenplatte kann darüber hinaus der Befestigung von Vorrichtungen dienen, welche das Modul als einzelnes oder im Verbund unterstützt. Vorzugsweise dient die Bodenplatte auch als Wärmedämmung, muss sie aber nicht.
Eine weitere erfindungsgemäße Variante sieht im wesentlichen vor, dass Sonnenlicht direkt in thermische Energie umgewandelt wird, wobei der Aufbau und die Anordnung der konzentrierenden Optik, der Abdeckplatte, der Verbindungselemente und des Halterahmens wie in der zuvor beschriebenen Anordnung hergestellt werden kann und der halbschalige Körper hierbei als Absorbermodul gestaltet ist und mindestens ein Wärmetransportsystem aufweist.
Das Absorbermodul besteht bevorzugt aus einer Absorbtionsplatte und aus einem an der Absorbtionsplatte liegenden Wärmetransportsystem. Die Absorbtionsplatte hierbei aus beispielsweise Stahl, Aluminium, Kupfer oder Kunststoff ist zumindest der konzentrierenden Optik zugewandten Seite ein bevorzugter Ausschnitt einer Sphäre. Andererseits kann die Absorbtionsplatte auch so realisiert sein, dass diese eine zylindrische Form hat, also ein Ausschnitt aus einem Rohr oder eine plane biegsame geschnittene Fläche aufweist. Vorzugsweise ist die Absorbtionsplatte mit einer Beschichtung versehen wie beispielsweise Tinox, Ethaplus oder anderen bekannten Absorberbeschichtungen versehen. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der halbschaligen Absorbtionsplatte, kann diese auch so realisiert sein, dass sie die Hälfte der konzentrierenden Optik umgreift und eine Reihenschaltung ermöglicht. Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass die Absorbtionsplatte aus Glas oder Sinterwerkstoffen besteht und höhere Temperaturen für das Wärmetransportsystem ermöglicht. Hierbei ist auch ein Vakuumverfahren und eine Ausgestaltung wie beispielsweise bei bekannten Absorber-Kollektoren denkbar. Das Wärmetransportsystem setzt sich bevorzugt aus mindestens einem Rohr, oder einem Rohrsystem zusammen und ist verbunden mit der Absorbtionsplatte. Erfindungsgemäß kann beispielsweise die Absorbtionsplatte wie ein Hohlkörper das Rohrsystem umlaufen um beispielsweise einen Dämmstoff einzubetten. Vorzugsweise ist das Rohrsystem Mäander förmig mit einer Schweissverbindung oder einer kraftschlüssigen Fügeverbindung mit der Absorbtionsplatte verbunden. Als Fügeverbindung kommen zum Beispiel Löt- und Schweissmittel aber auch Klebstoffe infrage. Bevorzugt wird das Rohrsystem der Sonnengerichteten Seite angeordnet, muss aber nicht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Rohrsystem auch wie eine Harfe oder ein fraktales System angeordnet sein, um Durchströmungen oder Druckverluste zu optimieren. Die Verbindungselemente können erfindungsgemäß Teil des Halterahmens sein und für das Wärmetransportsystem zur Durchführung, vorzugsweise mit einer flexiblen und/oder wärmegedämmten Anschlussöffnung und/oder für eine elektrische Durchführung für beispielsweise einen Sensor zur Temperatur- oder Druckmessung gestaltet sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Halterahmen zum Innenraum eine Kontrollvorrichtung aufgebracht. Als Kontrollvorrichtung kommen beispielsweise Halbleiter wie Dioden infrage. Erfindungsgemäß würde diese mit einem Draht versehen, um eine Steuerung zu ermöglichen. Eine weitere erfindungsgemäße Variante sieht im wesentlichen vor, dass Sonnenlicht direkt in thermische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die konzentrierende Optik wie in der zuvor beschriebenen Anordnung gestaltet ist, und ein reduziertes Absorber- und/oder Photovoltaik-Modul, einen Haltesockel und ein einachsiges Nachführsystem (Trackingsystem) aufweist. Diese Anordnung erlaubt es, die ausgehende Bündelung kontrolliert zu konzentrieren. Die erfindungsgemäßen Module sind so gestaltet, dass der bevorzugte Halbschalige Körper nach vorangegangener Beschreibung, hierbei einen vorteilhaften Ausschnitt zu den Sonnenstandshöhen aufweist und der Azimutachse Nachgeführt wird. Erfindungsgemäß sind die Module an einem Haltesockel untergebracht. Als Haltesockel wird die Gesamtheit aller Komponenten bezeichnet, die konzentrierende Optik und Module in oben beschriebener Weise verbinden. Der Haltesockel kann so realisiert sein, dass er die Module umgreift, so dass sich ein Abstand bis zur konzentrierenden Optik erstreckt. Der Haltesockel kann ganz oder teilweise aus Hohlprofilen bestehen, welche erfindungsgemäß die Rohre und/oder elektrischen Leitungen der Module tragen. Insbesondere ist der Haltesockel so gestaltet, dass die Module steckbar angeordnet werden können und so sinnvoller Weise über Öffnungen verfügt, um andere Komponenten wie beispielsweise Systemhalterungen vorzusehen. Vorzugsweise hat der Haltesockel im oberen Bereich, der die Module trägt, einen U-förmigen Körper, der im Querschnitt wiederum ein Kreissegment darstellt. Das hat den Vorteil, dass die Module je nach Standort ausgerichtet werden können. Im unteren Bereich wird das Kreissegment beispielsweise mit einem linear laufenden Körper verschraubt oder verschweisst verbunden, so dass Kreissegment parallel zur konzentrierenden Optik ausrichtbar ist. Das gewährleistet, dass der Abstand der Lichtbündelung und dem Modul justierbar ist. Der lineare Körper des Kreissegments wird im unteren erfindungsgemäßen Ringförmigen Körper eingeschoben und mechanisch verbunden. Der Ringförmige Körper kann beispielsweise so realisiert sein, das wenigstens eine Körperseite als Drehkranz gestaltet ist und mit der einachsigen Nachführung drehbar gelagert ist. Er kann aber auch so gestaltet sein, das er rollbar ist oder einer anderen Art drehbeweglich angeordnet ist. Vorzugsweise ist er zentrisch unter der konzentrierenden Optik angeordnet, wobei die konzentrierende Optik beispielsweise von einem zylindrischen Körper getragen wird, der den Ringkörper durchläuft. Die einachsige Nachführung ist als drehkranzförmiges Führungselement für die Steuerung des Ringkörpers zuständig. Die Steuerung der Drehung kann beispielsweise über einen Aktor und einer Regelung erfolgen, die über Sonnenstandsdaten verfügt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung, erfolgt die Regelung der Drehzahl mittels einer elektrisch betriebenen Analoguhr. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Modul ein Rohrreceiver für Hochtemperaturwärme. Der Rohrreceiver kann aus mehreren Metallrohren, welche leer oder mit Wärmeträgern, wobei als Wärmeträger Wasser, Thermoöl, Salzschmelze und Metall infrage kommt, bestehen und dient dazu weitere Komponenten beispielsweise zur Kopplung zu integrieren. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Modul ein volumetrischen Druckreceiver für Hochtemperaturwärme.
Die beschriebene Erfindung weist folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf:

– Die beanspruchte Erfindung macht es möglich, eine konzentrierte Lichtbündelung in jeglicher Neigung der Anordnung exakt zu regeln, so dass ein vorteilhafter Einstrahlungswinkel auf das Photovoltaik-/Absorbermodul eintrifft.
– Das beanspruchte Photovoltaik-/Absorbermodul kann kostengünstig und flexibel hergestellt werden.
– Das beanspruchte Photovoltaik-Modul kann durch den Zugewinn der optischen Nachführung bei gleichem Wirkungsgrad teure Halbleiter gegenüber dem Stand der Technik bekannten PV-Modulen einsparen.
– Das Modul erreicht weniger Einschränkung bei der Gebäudeintegration, da Abschattungsverluste verringert werden.
– Das beanspruchte Photovoltaik-/Absorbermodul benötigt keine zusätzlichen teuren Aufständersysteme zur Neigungsausrichtung.
– Die beanspruchte konzentrierende Optikanordnung ist flexibel und kompakt in seiner Dimensionierung und kann so auf individuelle Leistungsanforderungen ausgelegt werden.
– Das beanspruchte Photovoltaik-/Absorbermodul ist bei größeren Anlagen auf weniger Flächenbeanspruchung wirkungsvoller gegenüber dem Stand der Technik bekannten Anlagen, da zum Beispiel die eigene Modulabschattung zueinander sehr gering ausfällt.
– Die Kosten für Nachführsysteme können bei größeren Anlagen im Gegensatz nach dem Stand der Technik bekannten Anlagen reduziert werden.
– Das beanspruchte Photovoltaik-/Absorbermodul ist Wartungsgünstig und zum Beispiel weniger empfindlich als aus dem Stand der Technik bekannten Spiegelflächen.
– Die beanspruchte Bündelungsoptik ist flexibel einstellbar und kann einen geometrischen Faktor bis zu mehreren Tausend konzentrieren.

Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemässe Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt vereinfacht die Sonnenläufe von exemplarisch Breitengrad A und B.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiewandlerkonzentratorsystem.
In 1a) wird eine aus dem Stand der Technik bekannte Berechnung von Sonnenstandsdiagrammen dargestellt, die hier exemplarisch die Koordinaten der Sonnenverläufe der Standorte Breitengrad A zu Breitengrad B mit identischen Längengrad schematisch darstellen. Gezeigt werden die höchsten 1, wie Juni, mittleren 2, und niedrigsten 3, wie Dezember, Sonnenstände. Die Ansicht geht von Norden nach Süden. 1b) zeigt die Ansicht vom Zenit. 1c) zeigt die Ansicht von Westen.
2 zeigt eine schematische Skizze eines Ausführungsbeispiel. Die Standortspezifischen Sonnenstände (1), die höchsten 1, die mittleren 2 und die niedrigsten 3, fallen als Sonnenlicht auf ein Energiewandlerkonzentratorsystem 4. Das Energiewandlerkonzentratorsystem 4 weist ein konzentrierendes Element, in diesem Fall eine transparente Kugel 5, einen halbschaligen Absorberkörper 6 und einen Absorber 7 auf. Das Sonnenlicht 8, welches innerhalb der Jahressonnenstände ausgestrahlt wird, hier vereinfacht als Strahl aus einem Strahlenkegel dargestellt, wird durch die transparente Kugel 5 so fokussiert, dass es als Licht gebündelt und gerichtet auf das Absorbermodul 7 getragen vom Absorberträger 6 auftrifft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007093422 A1 [0003]

Claims

Energiewandler-Konzentrator-System zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische und/oder thermische Energie enthaltend mindestens einen Energiewandler, wobei der Energiewandler mindestens ein Teilelement aufweist, mindestens eine konzentrierende Optik zur Konzentration von einfallendem Sonnenlicht, und mindestens einem Nachführsystem, welches das mit dem Sonnenlauf wandernde konzentrierte Sonnenlicht gerichtet empfängt, wobei dem mindestens einem Nachführsystem mindestens einen Energiewandler angeordnet ist, welches auf der dem einfallenden Sonnenlicht abgewandten Seite der mindestens einen konzentrierenden Optik beabstandet angeordnet ist.
Energiewandler-Konzentrator-System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nachführsystem einen halbschaligen Elementhauptkörper aufweist, dem zum Sonnenlicht einfallenden Seite mindestens ein Energiewandler angeordnet ist, welcher teilweise die mindestens eine konzentrierende Optik umgreift.
Energiewandler-Konzentrator-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine konzentrierende Optik eine transparente Kugel oder eine transparente Hohlkugel ist und aus – Glas, insbesondere Kalknatronglas oder Bleiglas oder Borosilicatglas oder optisches Glas; – Organisches Glas, insbesondere Harze oder Polymere oder – eine Kombination hiervon besteht, wobei die Hohlkugel mindestens aus einem Teil besteht.
Energiewandler-Konzentrator-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Hohlkugel Flüssigkeit aufweist, welche – Wasser oder Ethanol oder Glykol oder – eine Kombination hiervon enthält oder daraus besteht.
Energiewandler-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl n der transparenten Kugel oder der flüssigkeitsgefüllten Hohlkugel einen Wert von 0,35 n bis 3,90 n, insbesondere von 1,30 n bis 2,00 n aufweist.
Energiewandler-Konzentrator-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil angeordnet ist.
Energiewandler-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Energiewandler Teilelement des Energiewandlers eine Solarzelle und/oder ein Absorber ist.
Photovoltaisches-Konzentrator-System oder Photovoltaik-Modul zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie enthaltend mindestens eine Solarzelle, mindestens eine konzentrierende Optik, mindestens eine Abdeckplatte, mindestens einen Halterahmen und mindestens eine Bodenplatte, und mindestens einem Nachführsystem, welches das mit dem Sonnenlauf wandernde konzentrierte Sonnenlicht gerichtet empfängt, wobei das mindestens eine Nachführsystem mindestens eine Solarzelle angeordnet ist.
Photovoltaisches-Konzentrator-System oder Photovoltaik-Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nachführsystem einen halbschaligen Elementhauptkörper aufweist, dem zum Sonnenlicht einfallenden Seite mindestens eine Solarzelle angeordnet ist, welcher teilweise die mindestens eine konzentrierende Optik umgreift.
Photovoltaisches-Konzentrator-System oder Photovoltaik-Modul nach Anspruch 8 oder den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine konzentrierende Optik eine transparente Kugel oder eine transparente Hohlkugel ist und aus – Glas, insbesondere Kalknatronglas oder Bleiglas oder Borosilicatglas oder optisches Glas; – Organisches Glas, insbesondere Harze oder Polymere oder – eine Kombination hiervon besteht, wobei die Hohlkugel mindestens aus einem Teil besteht, und der Abdeckplatte angeordnet ist.
Photovoltaisches-Konzentrator-System oder Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine konzentrierende Optik im Innenraum, des mindestens einen Halterahmen, mindestens einer Abdeckplatte und mindestens einer Bodenplatte angeordnet ist.
Photovoltaisches-Konzentrator-System oder Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der halbschalige Elementhauptkörper und die mindestens eine Solarzelle, drehbeweglich angeordnet ist.
Photovoltaisches-Konzentrator-System oder Photovoltaik-Modul nach vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine halbschalige Elementhauptkörper, eine Wärmesenke aufweist.
Photovoltaisches-Konzentrator-System oder Photovoltaik-Modul nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen an der zumindest einen Innenseite mindestens eine Reflektionsfläche aufweist oder daraus besteht.
Photovoltaisches-Konzentrator-System oder Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere konzentrierende Optiken und/oder mehrere halbschalige Elementhauptkörper voreinander, hintereinander und/oder nebeneinander vor der mindestens einen Solarzelle angeordnet sind.
Absorber-Konzentrator-System oder Absorber-Modul zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in thermische Energie enthaltend mindestens eine Absorptionsplatte, mindestens eine konzentrierende Optik, mindestens eine Abdeckplatte, mindestens einen Halterahmen und mindestens eine Bodenplatte, und mindestens einem Nachführsystem, welches das mit dem Sonnenlauf wandernde konzentrierte Sonnenlicht gerichtet empfängt, wobei das mindestens eine Nachführsystem mindestens eine Absorptionsplatte angeordnet ist.
Absorber-Konzentrator-System oder Absorber-Modul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nachführsystem einen halbschaligen Elementhauptkörper aufweist, dem zum Sonnenlicht einfallenden Seite mindestens eine Absorptionsplatte angeordnet ist, welcher teilweise die mindestens eine konzentrierende Optik umgreift.
Absorber-Konzentrator-System oder Absorber-Modul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsplatte mindestens ein Wärmetransportsystem mit Wärmeträgerflüssigkeit aufweist oder daraus besteht.
Absorber-Konzentrator-System oder Absorber-Modul nach Anspruch 16 oder den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine konzentrierende Optik eine transparente Kugel oder eine transparente Hohlkugel ist und aus – Glas, insbesondere Kalknatronglas oder Bleiglas oder Borosilicatglas oder optisches Glas; – Organisches Glas, insbesondere Harze oder Polymere oder – eine Kombination hiervon besteht, wobei die Hohlkugel mindestens aus einem Teil besteht, und dem Halterahmen angeordnet ist.
Absorber-Konzentrator-System oder Absorber-Modul nach Anspruch 16 oder den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsplatte, bevorzugt aus – Stahl oder verzinkten Stahl oder Edelstahl oder Aluminium oder Kupfer oder andere Metalle; – Verbundstoffe oder andere Kunststoffe oder – Glas oder Sinterwerkstoffen – eine Kombination hiervon besteht, und mindestens eine Beschichtung, insbesondere aus – Tinox oder Ethaplus oder andere Beschichtungen – eine Kombination hiervon aufweist oder daraus besteht.
Absorber-Konzentrator-System oder Absorber-Modul nach Anspruch 18 oder den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsplatte ein Wärmetransportsystem umfasst, wobei das Wärmetransportsystem mindestens ein Rohr oder Rohrsystem oder eine Harfe aufweist.
Absorber-Konzentrator-System oder Absorber-Modul vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der halbschalige Elementhauptkörper und die mindestens eine Absorptionsplatte, drehbeweglich angeordnet ist.
Photovoltaisches-Konzentrator-System und/oder Absorber-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen im Innenraum eine Diode umfasst.
Photovoltaisches-Konzentrator-System und/oder Absorber-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaisches-Konzentrator-System und/oder Absorber-Konzentrator-System ein Tracking-System aufweist.
Photovoltaisches-Konzentrator-System und/oder Absorber-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaisches-Konzentrator-System und/oder Absorber-Konzentrator-System ein Receiver umfasst.