DE102012209003A1 - Photovoltaik-Anlage mit Justage-Elementen zum Einstellen eines Einfallswinkels elektromagnetischer Strahlung auf Photovoltaik-Zellen der Photovoltaik-Anlage, Verfahren zum Einstellen des Einfallswinkels sowie Verwendung der Photovoltaik-Anlage - Google Patents

Photovoltaik-Anlage mit Justage-Elementen zum Einstellen eines Einfallswinkels elektromagnetischer Strahlung auf Photovoltaik-Zellen der Photovoltaik-Anlage, Verfahren zum Einstellen des Einfallswinkels sowie Verwendung der Photovoltaik-Anlage Download PDF

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Abstract

Es wird eine Photovoltaik-Anlage angegeben mit mindestens einer Photovoltaik-Zelle zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie durch Bestrahlung mindestens einer elektromagnetisch sensitiven Oberfläche der Photovoltaik-Zelle mit elektromagnetischer Strahlung, mindestens einem Grob-Justage-Element zur Grob-Einstellung eines Grob-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle, mindestens einem Fein-Justage-Element zur Fein-Einstellung eines Fein-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle. Dabei ist ein Grob-Übersetzungsverhältnis des Grob-Justage-Elements größer als ein Fein-Übersetzungsverhältnis des Fein-Justage-Elements. Darüber hinaus sind das Grob-Justage-Element und das Fein-Justage-Element unabhängig voneinander ansteuerbar. Zudem wird ein Verfahren zum Einstellen eines Einfallswinkels elektromagnetischer Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche einer Photovoltaik-Zelle einer Photovoltaik-Anlage angegeben. Das Verfahren umfasst ein Grob-Einstellen des Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung mittels des Groß-Justage-Elements und ein Fein-Einstellen des Fein-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung mittels des Fein-Justage-Elements. Die Photovoltaik-Anlage wird zur Gewinnung von elektrischem Strom eingesetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Anlage mit Justage-Elementen zum Einstellen eines Einfallswinkels elektromagnetischer Strahlung auf Photovoltaik-Zellen der Photovoltaik-Anlage und ein Verfahren zum Einstellen des Einfallswinkels. Daneben wird eine Verwendung der Photovoltaik-Anlage angegeben.
  • Photovoltaik-Anlagen weisen eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen mit einer Vielzahl von Photovoltaik-Zellen zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie auf. Licht der Sonne (elektromagnetische Strahlung) wird in elektrischen Strom umgewandelt. Dazu wird eine elektromagnetisch sensitive Oberfläche dem Sonnenlicht ausgesetzt.
  • Die Effizienz, mit der mit Hilfe der Photovoltaik-Zelle elektrischer Strom erzeugt wird, hängt u. a. von einem Einfallswinkel des Sonnenlichts auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle ab.
  • Zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Photovoltaik-Zellen können die Zellen bzw. Module dem Sonnenstand nachgeführt werden, damit die Sonnenstrahlung auf die elektromagnetisch sensitiven Oberflächen der Zellen stets senkrecht auftrifft.
  • Zum Nachführen der Zellen bzw. der Module, die eine Vielzahl von Konzentrator-Zellen aufweisen, werden sogenannte Tracker eingesetzt. Mit diesen Trackern ist allerdings eine Reihe von Nachteilen verbunden:
    • – Tracker für PV-Anwendungen sind mechanisch sehr anspruchsvoll. Gleiches gilt bezüglich der Steuerungs- bzw. Regelungstechnik.
    • – Die eingesetzten Tracker müssen eine sehr präzise Steuerung großer Massen und Flächen ermöglichen. Ebenso ist ein ständiges Nachjustierung der großen Massen und Flächen notwendig.
    • – Die bei den Trackern eingesetzte Regelungstechnik ist teuer.
    • – Nicht zuletzt aufgrund des Einsatzes von (beweglichen) Verschleißteilen sind die Tracker wartungsaufwändig.
  • Diesen Nachteilen wird durch folgende Maßnahmen begegnet:
    • – Es werden teure, hochpräzise Motoren für die Justierung der gesamten Modulfläche eingesetzt.
    • – Es wird ein enormer Regelungsaufwand betrieben.
    • – Regelmäßige Wartung und intensiver Service sind notwendig.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Anlage anzugeben, die mit Konzentrator-Zellen betrieben werden kann und bei der die Ausrichtung der Photovoltaik-Zellen zur Richtung des einfallenden Sonnenlichts hin im Vergleich zum Stand der Technik weniger aufwändig ist.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird eine Photovoltaik-Anlage angegeben mit mindestens einer Photovoltaik-Zelle zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie durch Bestrahlung mindestens einer elektromagnetisch sensitiven Oberfläche der Photovoltaik-Zelle mit elektromagnetischer Strahlung, mindestens einem Grob-Justage-Element zur Grob-Einstellung eines Grob-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle, mindestens einem Fein-Justage-Element zur Fein-Einstellung eines Fein-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle. Dabei ist ein Grob-Übersetzungsverhältnis des Grob-Justage-Elements größer als ein Fein-Übersetzungsverhältnis des Fein-Justage-Elements. Darüber hinaus sind das Grob-Justage-Element und das Fein-Justage-Element unabhängig voneinander ansteuerbar.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Einstellen eines Einfallswinkels elektromagnetischer Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche einer Photovoltaik-Zelle einer Photovoltaik-Anlage angegeben. Das Verfahren umfasst ein Grob-Einstellen des Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung mittels des Grob-Justage-Elements und ein Fein-Einstellen des Fein-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung mittels des Fein-Justage-Elements.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung einer Photovoltaik-Anlage zum Umwandeln von Strahlungsenergie in elektrische Energie angegeben. Mit Hilfe der Photovoltaik-Anlage wird elektrischer Strom erzeugt.
  • Der Grob-Einfallswinkel und der Fein-Einfallswinkel bilden eine Stellgröße, nämlich den Einfallswinkel der Sonnenstrahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind dabei Grob-Einstellung des Einfallswinkels und Fein-Einstellung des Einfallswinkels voneinander entkoppelt. Grob-Einstellung und Fein-Einstellung können unabhängig voneinander durchgeführt werden. Basierend auf dem Grob-Übersetzungsverhältnis wird mit Hilfe des Grob-Justage-Elements der Einfallswinkel „grob“ eingestellt. Eine Feinabstimmung des Einfallswinkels erfolgt durch das Fein-Justage-Element mit dem Fein-Übersetzungsverhältnis. Das Fein-Justage-Element weist beispielsweise ein Element der Mikromechanik auf.
  • Die Grobjustierung der Solarfläche erfolgt beispielsweise mittels robuster, wartungsarmer (Elektro-)motoren. Da für die Grob-Justage geringere Anforderungen an Winkelgenauigkeit gestellt sind, können solche (Elektro-)motoren hier eingesetzt werden, die zudem eine ausgereifte Technik bieten.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist ein Verhältnis des Grob-Übersetzungsverhältnisses und des Fein-Übersetzungsverhältnisses zueinander aus dem Bereich von 10 bis 100 ausgewählt. Beispielsweise beträgt das Verhältnis von Grob-Übersetzungsverhältnis zu Fein-Übersetzungsverhältnis 50.
  • Bevorzugt sind mindestens zwei Photovoltaik-Zellen vorhanden, deren Grob-Justage-Elemente ein gemeinsames Grob-Justage-Element bilden. Die Einfallswinkel werden für die zwei Photovoltaik-Zellen gemeinsam eingestellt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist das Grob-Justage-Element derart mit einem Photovoltaik-Tisch verbunden, auf dem die Photovoltaik-Zelle angeordnet ist, dass die Grob-Einstellung des Grob-Einfallswinkels mittelbar über eine Ausrichtung des Photovoltaik-Tisches erfolgen kann. Beispielsweise ist eine Vielzahl von Photovoltaik-Zellen zu einem Photovoltaik-Modul zusammengefasst. Mehrere Photovoltaik-Module sind auf einem Photovoltaik-Tisch angeordnet. Dieser Photovoltaik-Tisch wird mit dem Grob-Justage-Element angesteuert, so dass die Einfallswinkel für alle auf dem Tisch angeordneten Photovoltaik-Zellen gemeinsam grob eingestellt werden.
  • Das Fein-Justage-Element kann derart mit einem Photovoltaik-Träger der Photovoltaik-Zelle verbunden sein, dass die Fein-Einstellung des Fein-Einfallswinkels mittelbar über eine Ausrichtung des Photovoltaik-Trägers erfolgen kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Fokussier-Element vorhanden, mit dessen Hilfe die Grob-Einstellung des Grob-Einfallswinkels und/oder mit dessen Hilfe die Fein-Einstellung des Fein-Einfallswinkels erfolgen kann. Das Fokussier-Element ist beispielsweise eine Linse.
  • Mit der Erfindung sind folgende Vorteil verbunden:
    • – Trennung der (Nach)justierung in Grob- und Feinanteil.
    • – Der Einsatz von (Elektro-)motoren für die Grob-Justage ist möglich. Diese (Elektro-)motoren können beispielsweise zur Justage von Photovoltaik-Tischen groß dimensioniert sein. Die Regelung der Elektromotoren kann weniger genau sein. Dies führt zu einem Kostenvorteil gegenüber herkömmlichen Lösungen. Zudem sind solche (Elektro-)motoren relativ wartungsarm.
    • – Für die Grob-Einstellung kann die Regelung einer gesamten Modulfläche in größeren Zeitintervallen erfolgen. Es ist keine permanente Überwachung und Steuerung der Grob-Justage-Elemente notwendig.
    • – Die Fein-Justage erfolgt auf der Ebene der Photovoltaik-Zellen, z.B. CPV-Zellen, oder der Photovoltaik-Module, z.B. CPV-Module. Dies sind kleine, eventuell gekapselte Einheiten, mit nur geringen Massen.
    • – Jede Photovoltaik-Zelle kann individuell und hoch genau, beispielsweise durch Integration des Fein-Justage-Elements in die CPV-Zelle per Mikromechanik, nachjustiert werden.
    • – Auf Zellebene ist eine schnelle, permanente und exakte Nachregelung möglich.
    • – Die Regelung der Fein-Justage bedeutet eine geringe Stromaufnahme. Darüber hinaus ist ein simultanes Nachregeln möglich (im Gegensatz zum sequenziellen Nachregeln bei bisher üblichen großen Motoren).
    • – Im Fall der mikromechanischen Integration des Fein-Justage-Elements ist die Fein-Einstellung des Einfallswinkels wartungsfrei.
    • – Ingesamt ist die Form der Justage preisgünstig. Die Justage-Elemente können industriell hergestellt werden.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figur wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figur ist schematisch und stellt keine maßstabsgetreue Abbildung dar.
  • Die Figur zeigt einen Photovoltaik-Tisch einer Photovoltaikanlage.
  • Gegeben ist ein Photovoltaik-Tisch 10 einer Photovoltaik-Anlage 1 mit mindestens einer Photovoltaik-Zelle 101 zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie durch Bestrahlung einer elektromagnetisch sensitiven Oberfläche 103 der Photovoltaik-Zelle mit elektromagnetischer Strahlung 2. Die Photovoltaik-Zelle ist eine Konzentrator-Zelle.
  • Zudem ist ein Grob-Justage-Element 11 zur Grob-Einstellung des Grob-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle vorhanden. Das Grob-Justage-Element weist einen Elektromotor auf.
  • Daneben ist ein Fein-Justage-Element 102 zur Fein-Einstellung des Fein-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle vorhanden. Das Fein-Justage-Element ist eine bewegliche Einheit und mikromechanisch in die Konzentrator-Zelle integriert.
  • Das Verhältnis von Grob-Übersetzungsverhältnis des Grob-Justage-Elements zu Fein-Übersetzungsverhältnis des Fein-Justage-Elements beträgt etwa 100. Grob-Justage-Element und Fein-Justage-Element sind unabhängig voneinander ansteuerbar.
  • Während die Grob-Einstellung lediglich in größeren Intervallen erfolgt, findet die Fein-Einstellung permanent statt.
  • Die Photovoltaik-Anlage wird zum Umwandeln von Strahlungsenergie in elektrische Energie verwendet. Mit Hilfe der Photovoltaik-Anlage wird elektrischer Strom erzeugt.

Claims (9)

  1. Photovoltaik-Anlage (1) mit – mindestens einer Photovoltaik-Zelle (101) zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie durch Bestrahlung mindestens einer elektromagnetisch sensitiven Oberfläche (103) der Photovoltaik-Zelle mit elektromagnetischer Strahlung (2), – mindestens einem Grob-Justage-Element (11) zur Grob-Einstellung eines Grob-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle, – mindestens einem Fein-Justage-Element (102) zur Fein-Einstellung eines Fein-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche der Photovoltaik-Zelle, wobei – ein Grob-Übersetzungsverhältnis des Grob-Justage-Elements größer als ein Fein-Übersetzungsverhältnis des Fein-Justage-Elements ist und – das Grob-Justage-Element und das Fein-Justage-Element unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
  2. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis des Grob-Übersetzungsverhältnisses und des Fein-Übersetzungsverhältnisses zueinander aus dem Bereich von 10 bis 100 ausgewählt ist.
  3. Photovoltaik-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Grob-Justage-Element derart mit einem Photovoltaik-Tisch (10) verbunden ist, auf dem die Photovoltaik-Zelle angeordnet ist, dass die Grob-Einstellung des Grob-Einfallswinkels mittelbar über eine Ausrichtung des Photovoltaik-Tisches erfolgen kann.
  4. Photovoltaik-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fein-Justage-Element derart mit einem Photovoltaik-Träger der Photovoltaik-Zelle verbunden ist, dass die Fein-Einstellung des Fein-Einfallswinkels mittelbar über eine Ausrichtung des Photovoltaik-Trägers erfolgen kann.
  5. Photovoltaik-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Fokussier-Element vorhanden ist, mit dessen Hilfe die Grob-Einstellung des Grob-Einfallswinkels und/oder mit dessen Hilfe die Fein-Einstellung des Fein-Einfallswinkels erfolgen kann.
  6. Photovoltaik-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens zwei Photovoltaik-Zellen vorhanden sind, deren Grob-Justage-Elemente ein gemeinsames Grob-Justage-Element bilden.
  7. Photovoltaik-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Photovoltaik-Zelle eine Konzentrator-Zelle ist.
  8. Verfahren zum Einstellen eines Einfallswinkels elektromagnetischer Strahlung auf die elektromagnetisch sensitive Oberfläche einer Photovoltaik-Zelle einer Photovoltaik-Anlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit Grob-Einstellen des Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung mittels des Grob-Justage-Elements und mit Fein-Einstellen des Fein-Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung mittels des Fein-Justage-Elements.
  9. Verwendung einer Photovoltaik-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Umwandeln von Strahlungsenergie in elektrische Energie.
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