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Die Erfindung betrifft ein konzentrierendes Sonnenkollektormodul, das durch einachsige Drehung zum jeweiligen Stand der Sonne ausrichtbar ist und die tages- und jahreszeitlich bedingt in unterschiedlichen Winkeln einfallenden Sonnenstrahlen mit einer bis zu 1000-fachen Konzentration auf ein Empfängerelement konzentriert. Das Sonnenkollektormodul ist aus einem ersten Konzentratorelement, einem Umlenkelement und einem von einer lichtleitenden Röhre gebildeten, zweiten Konzentratorelement und aus einem Empfängerelement aufgebaut. Während das erste Konzentratorelement die parallel einfallenden Sonnenstrahlen auf eine Brennlinie fokussiert und dabei bevorzugt aus einer verspiegelten Parabolrinne oder aus einem Fresnelspiegel oder aus einem Lamellenspiegel oder aus einer Anordnung totalreflektierender Prismen besteht, wird das Umlenkelement von einer koaxial zu der Brennlinie des ersten Konzentratorelements angeordneten und um die Brennlinie revolvierenden Prismenröhre gebildet. Das zweite Konzentratorelement besteht aus einer lichtleitenden Röhre mit einer innenseitigen Verspiegelung, die an ihrer Längsseite von einem streifenförmigen Fenster unterbrochen wird. Durch dieses Fenster werden die von dem ersten Konzentratorelement auf die Brennlinie gebündelten Strahlen und die von jeweils einem radialen Sektor der Prismenröhre umgelenkten Strahlen in die lichtleitende Röhre eingekoppelt und dort als mehrfach reflektierte Strahlen mit einem stumpfen Leitwinkel auf das Empfängerelement an einer Stirnseite der lichtleitenden Röhre fokussiert. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung besteht das Empfängerelement aus hocheffizienten PV-Zellen, die an einer der Stirnseiten der lichtleitenden Röhre mit der Oberfläche eines Wärmeübertragers in Verbindung stehen. In einer zweiten Ausführungsvariante besteht das Empfängerelement aus einem Lichtleiter, der dazu ausgebildet ist, das konzentrierte Sonnenlicht ins Innere eines Gebäudes zu leiten, wo entweder hocheffiziente Solarzellen an der Oberfläche eines von einem Warmwasserbehälter gebildeten Wärmeübertragers, die in dem Lichtleiter geführte Lichtenergie empfangen und in Strom und Wärme wandeln oder ein Tageslichtsystem, das von dem Sonnenkollektormodul konzentrierte Sonnenlicht zu einer oder mehreren Tageslichtquellen im Inneren eines Gebäudes leitet. Die Erfindung betrifft auch ein Kollektorfeld, bei dem eine Mehrzahl von Sonnenkollektormodulen zu einer Solaranlage zusammengefasst sind.
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Stand der Technik
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Bekannte Konzentrator-Photovoltaik-Systeme (CPV) nutzen Linsen und Spiegel zur Bündelung des Lichts auf die Solarzellen und erreichen dabei mit einer zweiachsigen Nachführung zum jeweiligen Sonnenstand einen Konzentrationsfaktor von 300–500. Mit punktfokussierenden Modulen, wie z. B. dem Flatcon- oder Concentrix-System der Firma Soitec, hat die Konzentrator-Photovoltaik die Wettbewerbsfähigkeit mit herkömmlichen PV-Modulen erreicht, insbesondere in Ländern mit einer hohen Sonnenscheindauer. In Konzentrator-Photovoltaik-Solarthermie-Systemen (CPVT) ist eine aktive Kühlung der PV-Zellen vorgesehen. Die kombinierte Nutzung des Energieangebots der Sonne durch Photovoltaik und Solarthermie ermöglicht Wirkungsgrade von mehr als 80%. Die aktive Kühlung der Mehrfachsolarzellen ermöglicht außerdem einen höheren Konzentrationsfaktor des Sonnenlichts, z. B. eine 1000-fache Konzentration des Sonnenlichts durch einen zweiachsig nachgeführten Parabolspiegel. Bei einem bekannten CPVT-System ist eine Vielzahl von Solarzellen in einer Rasteranordnung auf einem mediendurchströmten Wärmetauscher im Brennpunkt eines Parabolspiegels angeordnet. Nachteilig dabei ist, dass die eingestrahlte Energie nicht gleichmäßig auf alle Solarzellen verteilt werden kann und die Übertragung der absorbierten Wärme auf ein Wärmeträgerfluid ebenfalls ungleichmäßig erfolgt. Ein wirksamer Schutz vor Korrosion und Verschmutzung für die PV-Zellen ist nicht gegeben, da sie den Einflüssen der Atmosphäre ausgesetzt sind.
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Im Unterschied zu Silicium-Solarzellen bestehen Mehrfach-Solarzellen nicht nur aus einem Halbleitermaterial, sondern aus mehreren Halbleitermaterialien, die übereinander gestapelt jeweils einen anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts nutzen, um Strom zu erzeugen. Die Halbleitermaterialien der Gruppen 3 und 5 des Periodensystems bestehen z. B. aus Germanium (Ge), aus Galliumarsenid (GalnAS) und aus Galliumindiumphosphid (GalnP) und werden mittels der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) in dünnen Schichten auf einem Wafer abgeschieden. Die Nutzung des Sonnenlichts vom blauen bis zum infraroten Spektralbereich ermöglicht einen Wirkungsgrad der Solarzellen größer als 40%. Am Fraunhofer ISE in Freiburg konnte im Labor ein Wirkungsgrad der Zellen von 46% gemessen werden. Dabei ist zu beachten, dass der Wirkungsgrad der Module bei etwa 32% und der Wirkungsgrad des gesamten CPV-Systems nur noch bei etwa 28% liegt. Damit zeichnen CPV- und CPVT-Systeme zurzeit im Vergleich zu der Silicium-basierten Photovoltaik durch einen etwa doppelt so großen Wirkungsgrad aus. Bei der Firma AZUR SPACE in Heilbronn werden ebenfalls Mehrfach-Solarzellen in unterschiedlichen Größen z. B. 3 × 3 mm, 5,5 × 5,5 mm oder 10 × 10 mm hergestellt, deren Wirkungsgrad, abhängig von der Konzentration des Sonnenlichts, ebenfalls über 40% liegt. Ein DCB-Board ist als spezielle Platine bekannt, bei der zwei dünne Kupferschichten mittels einer isolierenden Keramikschicht untereinander verbunden und gegeneinander isoliert werden. Ein DCB(direct copper bonded)-Board (Platine) erlaubt die Ausbildung eines elektrischen Schaltelements und die Ausbildung voneinander getrennter Plus- und Minuspole zum Abgreifen des an der Solarzelle gewonnenen elektrischen Stroms. Auf einem DCB-Board kann entweder nur eine oder mehrere, z. B. in einer Reihe oder in einem Raster angeordnete PV-Zellen montiert werden. Der besondere Vorteil des DCB-Boards besteht in einer elektrisch-thermischen Verbindung über Kupfer, die eine optimale Ableitung der an den Solarzellen absorbierten Wärme ermöglicht. Ein DCB-Substrat ermöglicht die Ausbildung großflächiger metallischer Leiterbahnstrukturen, die eine Verschaltung der Solarzellen eines Kollektormoduls parallel oder in Reihe ermöglichen. Neben dem DCB-Board kann auch ein IMS-Substrat (insulated metal substrate) zur Anwendung kommen, bei dem die dem Wärmeübertrager zugewandte Schicht aus Aluminium statt aus Kupfer besteht. In beiden Fällen wird das Substrat durch eine Klebeverbindung oder eine Lötverbindung vollflächig und hohlraumfrei mit dem Wärmeübertrager verbunden, der seinerseits aus Kupfer oder Aluminium besteht. Bei einem Dense Array Modul ist eine Mehrzahl von PV-Zellen in einer lückenlosen Rasteranordnung auf ihrer strahlungsabgewandten Seite mit einem wasserdurchströmten Wärmeübertrager verbunden, der über Vor- und Rücklauf an einem Kühlkreislauf angeschlossen ist. Unter der Produktbezeichnung ”ADAM” wird ein derartiges Dense Array Modul von der Firma AZUR SPACE in Heilbronn hergestellt. Bei großen Parabolspiegeln, die das Sonnenlicht auf einen Brennpunkt fokussieren, führen geringe Abweichungen der Parallelität der Sonnenstrahlen zu einer ungleichmäßigen Energieverteilung im Brennpunkt des Spiegels, was sich nachteilig auf die Leistungsbilanz und die Kühlung der PV-Zellen auswirkt. Bekannte photovoltaische und solarthermische Kollektoren benötigen eine zweifache Nachführung der Sonnenkollektormodule zu dem jeweiligen Stand der Sonne. Der damit verbundene Aufwand schränkt die Wettbewerbsfähigkeit der für die Nutzung hocheffizienter Solarzellen ausgelegten Kollektorsysteme so stark ein, dass sie gegenüber siliciumbasierten PV-Systemen ohne Konzentratortechnik nur schwer bestehen können. Die für die Stromerzeugung im kraftwerkstechnischen Maßstab erforderlichen Kollektorflächen sind erheblichen Windbelastungen ausgesetzt, sodass die Präzision der Konzentratortechnik darunter leidet. Außerdem sind die empfindlichen hocheffizienten Solarzellen gegenüber der Atmosphäre nicht vollständig abgekapselt, sodass der Wirkungsgrad im Laufe der Zeit aufgrund von Verschmutzung und Beschädigung degradiert. Zweiachsig nachgeführte PV-Systeme benötigen zudem untereinander einen Abstand, um eine gegenseitige Verschattung der Kollektorflächen zu vermeiden. Die schwedische Firma Parans stellt Tageslichtsysteme her, bei denen außerhalb einer Gebäudehülle konzentriertes Sonnenlicht über einen Lichtleiter ins Innere eines Gebäudes zu Tageslichtquellen geleitet wird. Die dafür verwendeten Linsensysteme benötigten eine aufwendige zweiachsige Nachführung zum jeweiligen Stand der Sonne.
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Aus der
US 7,763,840 B2 geht ein konzentrierender Sonnenkollektor hervor, bei dem das von einem Parabolspiegel oder einer Parabolrinne gebildete, erste Konzentratorelement die Sonnenstrahlen auf ein Empfängerelement mit einer definierten Längenausdehnung fokussiert. Aus der
US 2008/0163922 A1 geht ein photovoltaischer und solarthermischer Sonnenkollektor hervor, bei dem die in unterschiedlichen Winkeln einfallenden Sonnenstrahlen über ein erstes und ein zweites Konzentratorelement auf PV-Zellen konzentriert werden, die von einem Wärmeträgerfluid mit Vor- und Rücklauf gekühlt werden. Dieser Sonnenkollektor benötigt eine zweiachsige Nachführung zum jeweiligen Stand der Sonne. Aus der
DE 10 2011 000 455 A1 geht eine Vorrichtung zum Kühlen von PV-Zellen auf einer Platine hervor, bei der die Wärme auf ein Wärmeträgerfluid mit Vor- und Rücklauf übertragen wird. Aus der
DE 27 38 667 A1 geht ein solarthermischer Kollektor mit einem Absorber hervor, dem eine Lichtfalle zugeordnet ist, die die über Spiegelflächen aufgefangene Sonnenstrahlung auf den Absorber lenkt. Aus der
DE 44 30 517 A1 geht ein Parabolrinnenkollektor mit einem Absorberrohrkörper hervor, bei dem ein Wärmeträgerfluid zwischen dem Absorberrohrkörper und einem Verdampferrohr vorgesehen ist. Aus der
DE 10 2011 078 300 A1 geht ein Parabolrinnenkollektor hervor, bei dem Solarzellen rückseitig mit einem thermoelektrischen Wandler verbunden sind.
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Aus der
DE 197 18 044 C1 geht ein solarthermischer Parabolrinnenkollektor hervor, bei dem das in einem Wärmeträgerrohr geführte Wärmeträgerfluid in zwei voneinander getrennten Kreisläufen geführt wird und ein von einem Linsenrohr gebildeter sekundärer Konzentrator vorgesehen ist. Aus der
DE 197 32 481 A1 geht ein Röhrenkollektor hervor, bei lichtbrechende Prismen die Sonnenstrahlen auf ein Absorberrohr bündeln. Aus der
US 7,813,061 B2 geht ein Tageslichtsystem hervor, bei dem über eine Mehrzahl von Sammellinsen Sonnenlicht in einen Lichtleiter eingekoppelt und ins Innere eines Gebäudes geleitet wird. Die Sammellinsen erfordern jeweils eine zweiachsige Nachführung zum jeweiligen Stand der Sonne. Aus der
US 7,295,372 B2 geht ein Tageslichtsystem hervor, bei dem eine Mehrzahl konvexer und konkaver Linsen jeweils so gegeneinander verschoben wird, dass Tageslicht in eine Mehrzahl von Lichtleitern eingeleitet und ins Innere eines Gebäudes geführt wird. Aus der
US 5 471 553 A ist eine lichtleitende Hohlfaser bekannt, die einen Außendurchmesser von 0,1–5 mm und einen Innendurchmesser von 0,05–4 mm aufweist. Die
US 2009/0159115 A1 zeigt einen zweiachsig nachgeführten Sonnenkollektor, bei dem die an den PV-Zellen absorbierte Wärme auf ein Wärmeträgerfluid übertragen wird, wobei eine erste und eine zweite Konzentratorstufe vorgesehen sind. Bei diesem Sonnenkollektor besteht die erste Konzentratorstufe aus einem Spiegel, der aus einer Vielzahl einzelner Flächen aufgebaut ist, die bei zweiachsiger Nachführung das Sonnenlicht auf eine Vielzahl von konzentrisch zur optischen Achse des Sonnenkollektors angeordneten Schalen fokussieren. Durch eine sekundäre Optik sind die Schalen dazu ausgebildet, das Sonnenlicht auf Empfängerelemente, die aus PV-Zellen oder von wärmeabsorbierenden Flächen bestehen, zu fokussieren.
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Aus der
DE 197 14 080 B4 geht ein Lichtleiter hervor, der eine Mikrohohlfaser aufweist, deren Oberfläche im Hohlfaser-Lumen oder auf dem Peripherieumfang verspiegelt ist. Aus der
FR 2 471 564 A1 geht ein Kollektorfeld mit modular angeordneten konzentrierenden Sonnenkollektoren hervor, die an Land auf einem Drehteller und im Wasser auf einem Floß angeordnet sind und durch Drehung um eine vertikale Drehachse zur Sonne ausgerichtet werden. Aus der
WO 2009/001225 A3 gehen neuartige konstruktive Lösungen für ein Kollektorfeld als künstliche rotierbare Insel hervor, die sowohl an Land als auch auf einer Wasserfläche realisiert werden kann. Aus der
WO 2010/102408 A1 geht ein scheibenförmiger, um eine Achse rotierbarer Sonnenkollektor hervor, bei dem das in unterschiedlichen Winkeln einfallende Sonnenlicht auf eine lumineszierende Schicht trifft und als emittierte Strahlung durch Mehrfachreflexion auf ein Empfängerelement am Rand der Scheibe konzentriert wird. Aus der
US 7,873,257 B2 geht ein konzentrierender Flachkollektor hervor, bei dem das Sonnenlicht von einer Vielzahl lichtlenkender Lamellen aufgenommen und auf eine lichtführende Schicht gelenkt wird, durch die das Licht in einer Vielzahl von Reflexionen auf hocheffiziente Solarzellen gelenkt wird. Aus der umfangreichen Schrift gehen sowohl starre als auch einachsig nachgeführte Flachkollektoren hervor. Die
US 5 269 851 A zeigt einen rotationssymmetrisch aufgebauten Sonnenkollektor, der starr zur Sonne ausgerichtet ist mit einem Konzentratorelement, das von einem Parabolspiegel gebildet wird. Eine Vielzahl von Photovoltaikzellen ist in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Parabolspiegels angeordnet. Zwischen dem Parabolspiegel und den PV-Zellen dient eine Prismenanordnung der Umlenkung unterschiedlich geneigter, an dem Parabolspiegel reflektierter Strahlenbündel auf die Solarzellen. Wasser als Wärmeträgerfluid leitet die an den Solarzellen absorbierte Wärme in einem Kreislaufsystem ab. Die Prismenstruktur ist dazu ausgebildet, die von dem Parabolspiegel in unterschiedlichen Winkeln reflektierten Strahlenbündel gleichmäßig auf die in einer Ebene angeordneten Solarzellen zu verteilen. Die
US 5 882 434 A zeigt einen starr zur Sonne ausgerichteten rotationssymmetrisch aufgebauten konzentrierenden Sonnenkollektor, der ein primäres Konzentratorelement aus einem Parabolringspiegel mit einem Brennring offenbart. Ein sekundäres Konzentratorelement, das aus einer Vielzahl kegelförmiger Röhren aus Glas besteht und auf der Oberfläche eines kegelstumpfförmigen Absorberelements angeordnet ist, konzentriert die von dem Parabolringspiegel reflektierten Sonnenstrahlen auf streifenförmig an dem Kegelstumpf angeordnete Solarzellen. Zur Kühlung der Solarzellen werden die transparenten Kegelrohre von Wasser durchströmt und können so als optische Sammellinsen wirken. Eine exakte Konzentration der zentrierten Strahlenbündel auf einzelne Brennpunkte ist mit den in dieser Druckschrift beschriebenen Maßnahmen nicht möglich. Die
DE 10 2014 006 126 B3 zeigt einen Röhrenkollektor mit einem Konzentratorelement aus totalreflektierenden Prismen, die bei einachsiger Nachführung das Sonnenlicht sehr präzise auf eine Brennlinie fokussieren können. Die
WO 2013/140285 A1 zeigt eine lichtleitende Platte mit Linsen und Prismen, die mit einer totalreflektierenden Schicht kombiniert sind. Die
WO 2012/014088 A3 zeigt ein starr zu Sonne ausgerichtetes Sonnenkollektormodul mit einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Lichtlenksystem, einer lichtleitenden Schicht und einer PV-Zelle im Zentrum.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sonnenkollektormodul anzugeben, das mit einer einachsigen Nachführung zu den tages- und jahreszeitlich wechselnden Sonnenständen eine bis zu 1000-fache Konzentration des Sonnenlichts auf ein Empfängerelement ermöglicht. Es ist insbesondere die Aufgabe der Erfindung eine lichtleitende Glasröhre als zweite Konzentratorstufe an einem konzentrierenden Sonnenkollektor anzugeben, um an dem Empfängerelement eine sehr hohe flächenbezogene Leistungsdichte zu realisieren. Allgemein besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den für die Konzentration des Sonnenlichts erforderlichen Aufwand zu minimieren und eine aus gleichen Modulen aufgebaute technische Systemlösung vorzuschlagen, die einfach herzustellen ist und als Serienprodukt zu einem Kollektorfeld addiert werden kann. Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen der Erfindung gelöst. Weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Das erste Konzentratorelement eines Sonnenkollektormoduls ist dazu ausgebildet, die tages- und jahreszeitlich bedingt in unterschiedlichen Winkeln einfallenden parallelen Strahlen der Sonne auf eine Brennlinie fokussieren. In einer bevorzugten Ausführungsvariante besteht das erste Konzentratorelement aus einer verspiegelten Parabolrinne oder aus einem Fresnelspiegel. Ein Lamellenspiegel aus einer Mehrzahl parallel zueinander angeordneter Lamellen oder eine Anordnung totalreflektierender Prismen ist bei einachsiger Nachführung zum jeweiligen Sonnenstand ebenfalls geeignet die Sonnenstrahlen auf eine Brennlinie zu fokussieren. Der besondere Vorteil der totalreflektierenden Prismen besteht darin, dass die von der Lichtbrechung an der Eintrittsseite hervorgerufene Lichtstreuung durch die Lichtbrechung an der Austrittsseite wieder rückgängig gemacht wird, sodass eine exakte Bündelung der Sonnenstrahlen auf eine Brennlinie ermöglicht wird, ohne dass dabei, wie bei einem Spiegel, Absorptionsverluste auftreten. Die Prismen können in einem Strangziehverfahren ohne weitere Oberflächenbearbeitung aus Borosilikatglas hergestellt werden. Die Prismenröhre eines Sonnenkollektormoduls ist konzentrisch und koaxial zu der Brennlinie des ersten Konzentratorelements angeordnet und dabei in eine Mehrzahl radialer Sektoren unterteilt. Dabei weist ein erster radialer Sektor eine Zylinderfläche sowohl an der äußeren als auch an der inneren Mantelfläche der Prismenröhre auf, während alle weiteren Sektoren entweder an der äußeren oder an der inneren Mantelfläche sektorweise unterschiedlich ausgebildete und quer zu der Brennlinie des ersten Konzentratorelements angeordnete Prismen tragen. Von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang revolviert die Prismenröhre um die Brennlinie des ersten Konzentratorelements, wobei tages- und jahreszeitlich bedingt jedem Sektor eine vorbestimmte Einsatzdauer vorgegeben wird. Die Zeitspanne, in der ein radialer Sektor die auf die Brennlinie gebündelten Strahlen empfängt, hängt zum einen von der Anzahl der radialen Sektoren einer Prismenröhre und zum anderen von jeweiligen Tages- bzw. Jahreszeit ab. Der Kreislauf beginnt bei Sonnenaufgang mit dem ersten radialen Sektor und endet bei Sonnenuntergang ebenfalls mit dem ersten radialen Sektor. Bei einer Prismenröhre mit sechs radialen Sektoren z. B. ist jeder der sechs Sektoren zurzeit der Sommersonnenwende mehr als zwei Stunden im Einsatz, wobei der Umlauf der radialen Sektoren gegen den Uhrzeigersinn beginnt und sich am Nachmittag im Uhrzeigersinn zurückdreht oder umgekehrt. Eine Unterteilung der Prismenröhre in mindestens drei bis maximal zwölf radiale Sektoren erscheint sinnvoll. Eine genaue Untersuchung der Strahlführung an der Prismenröhre hat gezeigt, dass durch die Ausbildung eines Polygons mit sektorweise gleichen, konkav ausgebildeten Polygonseiten an der inneren Mantelfläche der Prismenröhre die Brechung der gebündelten Strahlen an jedem radialen Sektor so verbessert wird, dass die Anzahl der Reflexionen innerhalb der lichtleitenden Röhre auf ein Minimum reduziert wird. In diesem Fall ist die Prismenröhre in acht radiale Sektoren unterteilt. Eine Prismenröhre kann z. B. aus Borosilikatglas oder einem transparenten Kunststoff in einem Strangguss- oder einem Strangpressverfahren oder in einem Press-Blas-Verfahren hergestellt wird. Die lichtleitende Glasröhre ist innerhalb der Prismenröhre so angeordnet, dass die Brennlinie des ersten Konzentratorelements entweder direkt auf oder unmittelbar vor oder hinter dem Fenster an der Längsseite der lichtleitenden Röhre verläuft, während die Prismenröhre selbst eine koaxiale und konzentrische Stellung zu der Brennlinie des ersten Konzentratorelements einnimmt. Dabei kann die lichtleitende Röhre z. B. als beidseitig vakuumdicht verschlossene und innenverspiegelte Glasröhre hergestellt werden, bei der die Spiegelschicht von einem sich zwischen den Stirnseiten der Glasröhre erstreckenden transparenten Fenster unterbrochen wird. Die lichtleitende Röhre kann aber auch als offenes Hohlprofil aus Metall oder Kunststoff mit einer innenseitigen Verspiegelung ausgebildet werden, wobei in die Fensteröffnung ein Konzentratorelement in Form einer Linse oder eines trichterförmigen Glaskörpers mit totalreflektierenden Seitenwänden eingeklebt oder eingelötet wird. Bei einer zweischalig ausgebildeten, lichtleitenden Röhre ist der Zwischenraum mit einem Wärmeträgerfluid befüllt, um die an der Spiegelschicht absorbierte Wärme abzuleiten. Ein im Fenster eingebautes Konzentratorelement ermöglicht ein Verhältnis von 1:100 zwischen der Aperturweite z. B. einer Parabolrinne und der Aperturweite z. B. einer konvex-konkaven Linse, sodass an einem Kollektormodul unabhängig von seiner jeweiligen Größe eine bis zu 1000-fache Konzentration des Sonnenlichts auf hocheffiziente PV-Zellen ermöglicht wird. An der Stirnseite der lichtleitenden Röhre kann ein verspiegelter Krümmer vorgesehen sein, der die mehrfach reflektierten Strahlen z. B. um 90 Grad ablenkt, um sie auf ein Empfängerelement zu konzentrieren, das parallel zu der lichtleitenden Röhre ausgerichtet ist. Um bei einer Reihung der Sonnenkollektormodule die von der Mediensäule bewirkte Verschattung zu begrenzen, ermöglicht der Krümmer eine Anordnung des Empfängerelements innerhalb der Mediensäule. Alternativ zu der lichtleitenden Röhre könnte auch ein lichtleitendes stabförmiges Vollglaselement verwendet werden. Dabei erfolgt die Lichtleitung durch Totalreflexion innerhalb des stabförmigen Vollglaselements, das einen runden oder polygonalen Querschnitt hat. Aufgrund der hohen Dämpfung innerhalb eines stabförmigen Glaskörpers erweist sich jedoch die verspiegelte lichtleitende Röhre im Hinblick auf Notwendigkeit, Energieverluste so gering wie möglich zu halten, als die bessere Lösung. Das Empfängerelement besteht in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung aus hocheffizienten PV-Zellen, die an einer Stirnseite der lichtleitende Röhre zu einem Dense Array Modul zusammengefasst sind und an ihrer strahlungsabgewandten Seite vollflächig mit einem Wärmeübertrager in Verbindung stehen. In diesem Fall hat das Kollektormodul eine photovoltaische und eine solarthermische Komponente, wobei die PV-Zellen etwa die Hälfte der eingestrahlten Sonnenenergie in Strom wandeln, während die zweite Hälfte der Sonnenenergie von den Solarzellen absorbiert und als Wärme auf ein Wärmeträgerfluid übertragen wird. Eine Anwendung der Erfindung besteht in der Stromerzeugung in einem kraftwerkstechnischen Maßstab. Dabei ist eine Mehrzahl von Sonnenkollektormodulen längs und quer so miteinander verbunden, dass eine weitgehend flächendeckende, lückenlose Kollektorfläche gebildet wird, die über eine vertikale Drehachse zum jeweiligen Azimutwinkel der Sonne ausrichtbar ist. An Land ist diese Kollektorfläche auf einem Drehteller angeordnet, während sie auf einer Wasserfläche von einem schwimmenden Floß gebildet wird. Wird das erste Konzentratorelement von einer Parabolrinne gebildet, sind jeweils zwei Sonnenkollektormodule spiegelbildlich zueinander angeordnet, wobei an einer Mediensäule jeweils zwei Prismenröhren angeschlossen sind. Besteht das erste Konzentratorelement aus Anordnung von totalreflektierenden Prismen, kann auf einem Drehteller oder einem Floß einstrahlungsseitig eine lückenlose, nur durch Wartungsgänge unterbrochene Fläche aus einer Mehrzahl totalreflektierender Prismen pro Sonnenkollektormodul gebildet werden. Die lineare Anordnung der totalreflektierenden Prismen oder eines Lamellenspiegels als erstes Konzentratorelement ermöglicht den Einsatz kontinuierlich arbeitender Reinigungsroboter, um die Energieverluste durch Verschmutzung auszuschließen. Bei einem Tageslichtsystem besteht das Empfängerelement aus einem Lichtleiter, der dazu ausgebildet ist, das konzentrierte Sonnenlicht ins Innere eines Gebäudes zu leiten und über eine oder mehrere Tageslichtquellen Innenräume zu belichten. Am Ende des Lichtleiters können aber auch hocheffiziente PV-Zellen angeordnet werden, die an ihrer strahlungsabgewandten Seite mit einem Warmwasserbehälter verbunden sind, wobei die von den Solarzellen absorbierte Wärme für die Brauchwassererwärmung und die Heizungsunterstützung innerhalb eines Gebäudes genutzt wird. Schließlich kann ein Sonnenkollektormodul als Sonnenschutzlamelle an einer Gebäudehülle installiert werden und dem jeweiligen Höhenwinkel der Sonne folgen, um angrenzende Innenräume zu verschatten und dabei das eingestrahlte Sonnenlicht auf PV-Zellen zu konzentrieren oder als Tageslichtsystem in einen Lichtleiter einzukoppeln. Ein Sonnenkollektormodul mit einer standortabhängigen Leistung von 300–500 W ist z. B. 70 cm lang und 1 m breit, wobei die Prismenröhre einen Durchmesser von 120 mm und die lichtleitende Röhre einen Durchmesser von 40 mm hat. Ein Sonnenkollektormodul mit einer standortabhängigen Leistung von 3,2–5 kW ist z. B. 2,80 m lang und 4 m breit, wobei die Prismenröhre einen Durchmesser von 480 mm und die lichtleitende Röhre einen Durchmesser von 170 mm hat. Dabei sind die Abmessungen so gewählt, dass als Empfängerelement z. B. ein handelsübliches Dense Array Modul mit dem Produktnamen ”ADAM” der Firma AZUR SPACE eingebaut werden kann. Die einzelnen Komponenten eines Sonnenkollektormoduls sind skalierbar. Die Untersuchung der Strahlführung hat gezeigt, dass die Anzahl der Reflexionen bei den o. g. Maßverhältnissen auf unter zehn Reflexionen reduziert werden kann, sodass unabhängig von der jeweiligen Größe eines Kollektormoduls eine bis zu 1000-fache Konzentration des Sonnenlichts auf die PV-Zellen ermöglicht wird. Das erste Konzentratorelement eines Sonnenkollektormoduls richtet sich z. B. über einen sensorgesteuerten Stellmotor zum jeweiligen Sonnenstand aus, während die jeweilige Einstellung der Prismenröhre z. B. mittels einer Zeitschaltuhr erfolgt. Grundsätzlich kann die Steuerung eines Sonnenkollektormoduls über ein Programm, in das standortspezifische astronomische Daten eingespeist sind oder unmittelbar über lichtempfindliche Sensoren erfolgen.
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Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten und Anwendungen der Erfindung. Es zeigen:
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1 ein Sonnenkollektormodul mit Prismen an der äußeren Mantelfläche der Prismenröhre in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung
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2 das Sonnenkollektormodul nach 1 in einem schematischen Querschnitt
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3 das Sonnenkollektormodul nach 1 und 2 in einem Detailquerschnitt
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4 das Sonnenkollektormodul nach 1–3 in einem Detaillängsschnitt
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5 die Prismenröhre und die lichtleitende Röhre des Sonnenkollektormoduls nach 1–4 in einem perspektivischen Ausschnitt mit schematischer Darstellung des Strahlengangs
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6 den Strahlengang an einem Sonnenkollektormodul nach 1–5 zur Zeit der Sommersonnenwende in einer schematischen Übersicht
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7 den Strahlengang an einem Sonnenkollektormodul nach 1–5 zur Zeit der Wintersonnenwende in einer schematischen Übersicht
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8 ein Sonnenkollektormodul mit Prismen an der inneren Mantelfläche der Prismenröhre in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung
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9 das Sonnenkollektormodul nach 8 in einem schematischen Querschnitt
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10 das Sonnenkollektormodul nach 8 und 9 in einem Detailquerschnitt
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11 das Sonnenkollektormodul nach 8–10 in einem Detaillängsschnitt
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12 die Prismenröhre und die lichtleitende Röhre des Sonnenkollektormodul nach 8–11 in einem perspektivischen Ausschnitt mit schematischer Darstellung des Strahlengangs
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13 ein Sonnenkollektormodul mit Prismen an der äußeren Mantelfläche und Polygonflächen an der inneren Mantelfläche der Prismenröhre in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung
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14 das Sonnenkollektormodul nach 13 mit einer kreisrunden lichtleitenden Röhre in einem schematischen Querschnitt
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15 das Sonnenkollektormodul nach 13 mit einer polygonalen lichtleitenden Röhre in einem schematischen Querschnitt
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16 ein Sonnenkollektormodul, bei dem das erste Konzentratorelement von einem Fresnelspiegel gebildet wird, im schematischen Querschnitt
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17 ein Sonnenkollektormodul, bei dem das erste Konzentratorelement von einer Mehrzahl totalreflektierender Prismen gebildet wird, im schematischen Querschnitt
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18 ein Sonnenkollektormodul an einer Gebäudehülle als Tageslichtsystem in der isometrischen Übersicht
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19 ein Sonnenkollektormodul an einer Gebäudehülle als photovoltaischer und solarthermischer Kollektor in der isometrischen Übersicht
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20 das Empfängerelement des photovoltaischen und solarthermischen Kollektors nach 19 im Detailschnitt
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21 zwei Sonnenkollektormodule als Sonnenschutz und als Tageslichtsystem an einer Gebäudehülle in einem schematischen Vertikalschnitt
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22 die Anordnung von vier Sonnenkollektormodulen mit Parabolrinnen aus Faserzement in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung
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23 ein Kollektorfeld mit einer Mehrzahl von Sonnenkollektormodulen mit Parabolrinnen aus Faserzement auf einem Drehteller in der perspektivischen Übersicht
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24 den Ausschnitt eines Kollektorfelds mit Lamellenspiegeln jeweils als erstes Konzentratorelement in der perspektivischen Darstellung
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25 vier Sonnenkollektormodule jeweils mit einem Lamellenspiegel als erstes Konzentratorelement in einem schematischen Querschnitt
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26 ein Kollektorfeld mit einer Mehrzahl von Sonnenkollektormodulen nach 24 und 25 auf einem Drehteller in der perspektivischen Übersicht
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27 vier Sonnenkollektormodule jeweils mit einer Anordnung totalreflektierender Prismen als erstes Konzentratorelement in einem schematischen Querschnitt
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28 den Ausschnitt eines Kollektorfelds mit einer Anordnung totalreflektierender Prismen als erstes Konzentratorelement in einer perspektivischen Darstellung
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29 den Ausschnitt eines Sonnenkollektormoduls mit einer zweischalig aufgebauten, lichtleitenden Röhre in einer perspektivischen Darstellung
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30 das Sonnenkollektormodul nach 29 in einem schematischen Querschnitt
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1 zeigt ein Sonnenkollektormodul 1 bestehend aus einem von einer Parabolrinne 100 gebildeten, ersten Konzentratorelement 10, einer Prismenröhre 11 und einer lichtleitenden Röhre 12 sowie einem Empfängerelement 2 und einer vertikalen Drehachse x für die Ausrichtung zum jeweiligen Azimutwinkel γ der Sonne. Die in unterschiedlichen Höhenwinkeln α einfallenden, parallelen Strahlen Sp der Sonne werden an der Parabolrinne 100 reflektiert und als gebündelte Strahlen Sg mit einem Fokussierwinkel α' auf die Brennlinie f fokussiert. Konzentrisch und koaxial zur der Brennlinie f ist eine in sechs radiale Sektoren R1–R6 unterteilte Prismenröhre 11 angeordnet, deren äußere Mantelfläche an fünf Sektoren R2–R6 jeweils unterschiedliche Prismen 112 trägt und deren erster Sektor R1 sowohl an der inneren als auch an der äußeren Mantelfläche als Zylinderfläche 110 ausgebildet ist. Über die gesamte Dauer der Sonneneinstrahlung von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang empfangen die sechs radialen Sektoren R1–R6 der Prismenröhre 11 jeweils für eine bestimmte Zeitdauer die gebündelten Strahlen Sg und sind dazu ausgebildet, die gebündelten Strahlen Sg durch zweifache Brechung umzulenken und als umgelenkte Strahlen Su durch das Fenster 123 mit vorgeschalteter Linse 124 in die lichtleitende Röhre 12 einzukoppeln, sodass die Anzahl der Reflexionen mit dem Leitwinkelpaar λ, λ' an der Verspiegelung 120 der lichtleitenden Röhre 12 auf unter zehn Reflexionen reduziert werden kann. Die mehrfach reflektierten Strahlen Sm werden auf ein von PV-Zellen 20 gebildetes Dense Array Modul 200 als Empfängerelement 2 an der Stirnseite 122 der lichtleitenden Röhre 12 konzentriert. Auf ihrer strahlungsabgewandten Seite stehen die PV-Zellen 20 mit einem Wärmeübertrager 201 in Verbindung. Der von den PV-Zellen 20 gewonnene Strom wird über eine Mediensäule 114 mit Anode (+) und Kathode (–) abgeleitet, während die von den PV-Zellen 20 absorbierte Wärme über Vor- und Rücklauf 202, 203 auf ein in dem Wärmeübertrager 201 zirkulierendes Wärmeträgerfluid 204 übertragen wird. An jeweils zwei Mediensäulen 114 ist die Prismenröhre 11 eines Sonnenkollektormoduls 1 revolvierbar an Drehlagern 113 gelagert und wechselt die radialen Sektoren R1–R6 entweder sensorgesteuert oder mittels einer Zeitschaltuhr.
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2 zeigt eine Übersicht als Vertikalschnitt durch das Sonnenkollektormodul 1 nach 1 mit einem von einer Parabolrinne 100 gebildeten ersten Konzentratorelement 10 und einer in sechs radiale Sektoren R1–R6 unterteilten Prismenröhre 11 sowie der lichtleitenden Röhre 12, die an ihrer Innenseite eine Verspiegelung 120 trägt und an deren Stirnseite 122 ein von PV-Zellen 20 in einem Dense Array Modul 200 gebildetes Empfängerelement 2 angeordnet ist. Die parallelen Strahlen Sp der Sonne werden an der Parabolrinne 100 reflektiert und als gebündelte Strahlen Sg auf die Brennlinie f der Parabolrinne 100 fokussiert. Über das Fenster 123 mit einer vorgeschalteten konvex-konkaven Linse 124 werden die gebündelten Strahlen Sg in die lichtleitende Röhre 12 eingekoppelt, wo sie als mehrfach reflektierte Strahlen Sm auf das Empfängerelement 2 an der Stirnseite 122 der lichtleitende Röhre 12 geleitet werden. Von Sonnenaufgang bis mittags dreht sich die Prismenröhre 11 mit ihren sechs radialen Sektoren R1–R6 gegen den Uhrzeigersinn, während sie sich von mittags bis Sonnenuntergang im Uhrzeigersinn zurückdreht. Dabei wird jeder radiale Sektor R1–R6 für eine bestimmte Zeit mit seiner Winkelhalbierenden w auf die gebündelten Strahlen Sg ausgerichtet.
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3 zeigt einen Detailschnitt durch das Sonnenkollektormodul 1 nach 1 und 2 als Vertikalschnitt durch die Prismenröhre 11 und die lichtleitende Röhre 12. Der mit seiner Winkelhalbierenden w auf die gebündelten Strahlen Sg ausgerichtete radiale Sektor R6 zeigt eine Betriebsphase des Sonnenkollektormoduls 1 zur Zeit der Sommersonnenwende SSW mit steil einfallenden gebündelten Strahlen Sg. An dem radialen Sektor R1, dessen innere und äußere Oberfläche von einer Zylinderfläche 110 gebildet wird, beginnt und endet der revolvierende Umlauf der Prismenröhre 11 jeweils mit dem Sonnenaufgang und dem Sonnenuntergang. Zur Zeit der Wintersonnenwende WSW kommt der radiale Sektor R1 am längsten zum Einsatz.
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4 zeigt einen Detailschnitt durch das Sonnenkollektormodul 1 nach 1–3 als Längsschnitt durch die Prismenröhre 11 und die lichtleitende Röhre 12. Die gebündelten Strahlen Sg werden an den Prismen 112 jeweils mit einem Einfallswinkel β, δ und einem Ausfallswinkel β', δ' zweifach gebrochen und als umgelenkte Strahlen Su durch das von einer Linse 124 als Konzentratorelement gebildete Fenster 123 in die lichtleitende Röhre 12 eingekoppelt und innerhalb der lichtleitenden Röhre 12 als mehrfach reflektierte Strahlen Sm auf das Empfängerelement 2 an der Stirnseite 122 der lichtleitende Röhre 12 konzentriert, wobei das Leitwinkelpaar λ, λ' einen stumpfen Winkel bildet.
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5 zeigt die Prismenröhre 11 und die lichtleitende Röhre 12 des Sonnenkollektormoduls 1 nach 1–4 in einer Ausschnittsperspektive mit räumlicher Darstellung des Strahlengangs. Die Apertur des Fensters 123 wird durch ein Konzentratorelement in Form einer konvex-konkaven Linse 124 erweitert, sodass ein Verhältnis von 1:100 zwischen der Apertur des Fensters 123 und der in den 1 und 2 dargestellten Parabolrinne 100 ermöglicht wird.
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6 zeigt winkelgetreu und schematisch den Strahlengang an einem Sonnenkollektormodul 1 nach 1–5 mit dem steilsten Höhenwinkel α zur Zeit der Sommersonnenwende SSW. Die parallelen Strahlen Sp der Sonne fallen mit einem Höhenwinkel α von ca. 65 Grad ein und werden an dem von einer Parabolrinne 100 gebildeten ersten Konzentratorelement 10 mit einem Fokussierwinkel α' reflektiert und als gebündelte Strahlen Sg auf ein Prisma 112 des radialen Sektors R6 fokussiert. An dem Prisma 112 werden die gebündelten Strahlen Sg jeweils mit Einfallswinkeln β, δ und Ausfallswinkeln β', δ' zweifach gebrochen, sodass sie als umgelenkte Strahlen Su durch das Fenster 123 in die lichtleitende Röhre 12 eingekoppelt und als mehrfach reflektierte Strahlen Sm mit einem Leitwinkelpaar λ, λ', das jeweils einen stumpfen Winkel aufweist, auf das von einem Dense Array Modul 200 gebildete Empfängerelement 2 an der Stirnseite 122 der lichtleitenden Röhre 12 geleitet werden. Der stumpfe Winkel des Leitwinkelpaars λ, λ' bewirkt eine Begrenzung der Anzahl von Reflexionen innerhalb der lichtleitenden Röhre 12 auf weniger als zehn. 7 zeigt winkelgetreu und schematisch den Strahlengang an dem radialen Sektor R1 des Sonnenkollektormoduls 1 nach 1–5. Der dargestellte flache Höhenwinkel α tritt täglich nach Sonnenaufgang und vor Sonnenuntergang auf, wobei die Einstrahlung in einem flachen Höhenwinkel α zur Zeit der Wintersonnenwende WSW am längsten dauert. Die parallelen Strahlen Sp der Sonne fallen mit einem Höhenwinkel α von etwa 20 Grad ein und werden an dem von der Parabolrinne 100 gebildeten ersten Konzentratorelement 10 mit einem Fokussierwinkel α' reflektiert und als gebündelte Strahlen Sg auf den radialen Sektor R1 der Prismenröhre 11, dessen äußere und innere Oberfläche eine Zylinderfläche 110 aufweist, fokussiert und mit einem Einfallswinkel β, δ und einem Ausfallswinkel β', δ' als umgelenkte Strahlen Su in die lichtleitende Röhre 12 eingekoppelt und als mehrfach reflektierte Strahlen Sm mit dem Leitwinkelpaar λ, λ' auf das von einem Dense Array Modul 200 gebildeten Empfängerelement 2 an der Stirnseite 122 der lichtleitenden Röhre 12 geleitet.
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8 zeigt die Verbindung von zwei Sonnenkollektormodulen 1, die jeweils über ein Drehlager 113 an eine Mediensäule 114 angeschlossen sind, in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung. Der Aufbau des Sonnenkollektormoduls 1 entspricht im Wesentlichen dem in den 1–7 dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, dass hier die Prismen 112 auf der Innenseite der Prismenröhre 11 angeordnet sind und das Fenster 123 in der lichtleitenden Röhre 12 von einer Unterbrechung der Verspiegelung 120 auf der Innenseite der Glasröhre gebildet wird. Ein Vakuum V innerhalb der lichtleitenden Röhre 12 stellt sicher, dass die PV-Zellen 20 an der Stirnseite 122 der lichtleitenden Röhre 12 vor Verschmutzung und Beschädigung geschützt sind. Ein Überdruck Ü zwischen der Prismenröhre 11 und der lichtleitenden Röhre 12 schützt die Prismen 112 bzw. die Zylinderfläche 110 in den radialen Sektoren R1–R6 vor Verschmutzung. Die PV-Zellen 20 sind rückseitig mit einem Wärmeübertrager 201 verbunden und an eine Wasserkühlung mit Vorlauf 202 und Rücklauf 203 angeschlossen, die zusammen mit der Anode (+) und der Kathode (–) der Stromleitung in die Mediensäule 114 integriert sind.
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9 zeigt ein Sonnenkollektormodul 1 nach 8 in einem schematischen Vertikalschnitt, wobei der radiale Sektor R6 der Prismenröhre 11 mit seiner Winkelhalbierenden w zu den von der Parabolrinne 100 gebündelten Strahlen Sg ausgerichtet ist.
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10 zeigt einen Detailschnitt durch ein Sonnenkollektormodul 1 nach 8 und 9 als Vertikalschnitt durch die Prismenröhre 11 und die lichtleitende Röhre 12. Wie in 9 gezeigt, ist der radiale Sektor R6 mit seiner Winkelhalbierenden w zu den gebündelten Strahlen Sg ausgerichtet. Über das Fenster 123 in der lichtleitenden Röhre 12 werden die von den Prismen 112 umgelenkten Strahlen Su in die lichtleitenden Röhre 12 eingekoppelt.
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11 zeigt einen Detailschnitt durch ein Sonnenkollektormodul 1 nach 8–10 als Längsschnitt durch die Prismenröhre 11 und die lichtleitende Röhre 12. Der Längsschnitt ist entlang der Winkelhalbierenden w des radialen Sektors R6, der für die mit einem steilen Fokussierwinkel α' einfallenden gebündelten Strahlen Sg zur Zeit der Sommersonnenwende SSW ausgelegt ist, geführt und zeigt die Abflachung der an den Prismen 112 zweifach gebrochenen, gebündelten Strahlen Sg jeweils mit Einfallswinkeln β, δ und Ausfallswinkeln β', δ', die als umgelenkte Strahlen Su in die lichtleitende Röhre 12 eingekoppelt und dort mit dem Leitwinkelpaar λ, λ' auf das von PV-Zellen 20 an der Stirnseite 122 der lichtleitende Röhre 12 angeordnete Empfängerelement 2 konzentriert werden. Das Vakuum V in der lichtleitende Röhre 12 schützt die PV-Zellen 20 vor Verschmutzung und Beschädigung, während der Überdruck Ü innerhalb der Prismenröhre 11 die innenliegenden Prismen 112 schützt.
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12 zeigt die Prismenröhre 11 und die lichtleitende Röhre 12 eines Sonnenkollektormoduls 1 nach 8–11 in einer Ausschnittsperspektive mit räumlicher Darstellung des Strahlengangs.
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13 zeigt die Verbindung von zwei Sonnenkollektormodulen 1, die jeweils über ein Drehlager 113 an eine Mediensäule 114 angeschlossen sind, in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung. Das Sonnenkollektormodul 1 besteht aus einem von einer Parabolrinne 100 gebildeten ersten Konzentratorelement 10, einer Prismenröhre 11, die in acht radiale Sektoren R1–R8 unterteilt ist, und aus einer lichtleitenden Röhre 12 mit einem von einer Linse 124 gebildeten Fenster 123 an ihrer Längsseite 121. Die Sektoren R2–R8 der Prismenröhre 11 tragen jeweils an der Außenseite unterschiedliche Prismen 112, während die Innenseite der Prismenröhre 11 acht Polygonseiten 111 aufweist und die äußere Oberfläche des Sektors R1 als Zylinderfläche 110 ausgebildet ist. Die parallelen Strahlen Sp der Sonne treffen mit einem steilen Höhenwinkel α auf die Parabolrinne 100 und werden als gebündelte Strahlen Sg mit einem Fokussierwinkel α' auf die Brennlinie f der Parabolrinne 100 fokussiert. Zwischen der Parabolrinne 100 und dem Fenster 123 an der Längsseite 121 der lichtleitenden Röhre 12 ist die revolvierende Prismenröhre 11 mit ihren acht radialen Sektoren R1–R8 angeordnet. Die Zeichnung zeigt die Wirkungsweise des radialen Sektors R8, dessen Prismen 112 die gebündelten Strahlen Sg durch zweifache Brechung umlenken und als umgelenkte Strahlen Su durch das Fenster 123 die lichtleitende Röhre 12 einkoppeln, wo sie als mehrfach reflektierte Strahlen Sm mit dem Leitwinkelpaar λ, λ' mit nur wenigen Reflexionen auf das von PV-Zellen 20 gebildete Empfängerelement 2 an der Stirnseite 122 der lichtleitenden Röhre 12 geleitet werden. Eine genaue Untersuchung des Strahlengangs hat gezeigt, dass die Anzahl der Reflexionen der mehrfach reflektierten Strahlen Sm innerhalb der lichtleitenden Röhre 12 durch die Kombination von Polygonseiten 111 an der Innenseite und Prismen 112 an der Außenseite der Prismenröhre 11 im Vergleich zu dem in 1–12 dargestellten Ausführungsbeispiel weiter reduziert werden kann. Die PV-Zellen 20 sind rückseitig mit einem Wärmeübertrager 201 verbunden und an eine Wasserkühlung mit Vorlauf 202 und Rücklauf 203 angeschlossen, die zusammen mit der Anode (+) und der Kathode (–) der Stromleitung in die Mediensäule 114 integriert sind.
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14 zeigt das Sonnenkollektormodul 1 nach 13 im Vertikalschnitt durch die Prismenröhre 11 und die lichtleitende Röhre 12. Der radiale Sektor R8 ist mit seiner Winkelhalbierenden w zu den gebündelten Strahlen Sg ausgerichtet. Das Fenster 123 in der lichtleitenden Röhre 12 wird von einer konvex-konkaven Linse 124 gebildet, die als Konzentratorelement die umgelenkten Strahlen Su in die lichtleitende Röhre 12 einkoppelt.
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15 zeigt den Detailschnitt des Sonnenkollektormoduls 1 nach 13 und 14 mit einer polygonal ausgebildeten, lichtleitenden Röhre 12, bei der das Fenster 123 eine Linse 124 als plankonvexe Linse aufweist. Die lichtleitende Röhre 12 kann aus Glas oder Metall hergestellt werden.
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16 zeigt den schematischen Querschnitt durch ein Sonnenkollektormodul 1, bei dem das erste Konzentratorelement 10 von einem Fresnelspiegel 101 gebildet wird und dessen weitere Komponenten, wie Prismenröhre 11, lichtleitende Röhre 12 und Empfängerelement 2 im Wesentlichen dem in 8 und 9 beschriebenen Ausführungsbeispiel entsprechen.
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17 zeigt ein Sonnenkollektormodul 1 mit einer vertikalen Drehachse x, bei dem das erste Konzentratorelement 10 von einer Mehrzahl totalreflektierender Prismen 103 gebildet wird und dessen weitere Komponenten, wie Prismenröhre 11, lichtleitende Röhre 12 und Empfängerelement 2 im Wesentlichen dem in 1–7 beschriebenen Ausführungsbeispiel entsprechen.
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18 zeigt ein Sonnenkollektormodul 1 mit einer vertikalen Drehachse x, einem aus einer Parabolrinne 100 bestehenden ersten Konzentratorelement 10, einer Prismenröhre 11, einer lichtleitenden Röhre 12 und einem Empfängerelement 2, das von einem Lichtleiter 21 gebildet wird. Die Konzentration der parallelen Strahlen Sp der Sonne auf das Empfängerelement 2 entspricht auch bei diesem Ausführungsbeispiel der in 1–7 beschriebenen Konzentratortechnik. Der Lichtleiter 21 als Empfängerelement 2 an der Stirnseite 122 der lichtleitenden Röhre 12 bildet ein Tageslichtsystem zur Versorgung von Räumen im Inneren des Gebäudes 23 mit einer oder mehreren Tageslichtquellen 233. Der Lichtleiter 21 ist entweder als Faserbündel 210 oder als ein mit einer lichtleitenden Flüssigkeit befüllter Schlauch 211 ausgebildet.
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19 zeigt ein Sonnenkollektormodul 1 als photovoltaischen und thermischen Sonnenkollektor, das in seinem Aufbau dem in 18 beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, bei dem der Lichtleiter 21 das Empfängerelement 2 des Sonnenkollektormoduls 1 bildet und konzentriertes Sonnenlicht auf ein Dense Array Modul 200 aus PV-Zellen 20 leitet, die innerhalb eines Gebäudes 23 an einen Warmwasserbehälter 206 mit Vor- und Rücklauf 202, 203 angeschlossen sind.
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20 zeigt den Warmwasserbehälter 206 nach 19 in einem Detailschnitt durch den Wärmeübertrager 201 an der Schnittstelle zwischen den PV-Zellen 20 und dem Lichtleiter 21, der das von dem in 19 gezeigten Sonnenkollektormodul 1 konzentrierte Sonnenlicht über eine Linse 124 auf die PV-Zellen 20 leitet. Der von einem Wärmeträgerfluid 204 in einem geschlossenen Kreislauf durchströmte Wärmeübertrager 201 wird von einer Heizwendel 205 im Inneren des wärmegedämmten Warmwasserbehälters 206 gebildet. Das Dense Array Modul 200 ist mit seiner strahlungsabgewandten Seite vollflächig mit einer Erweiterung der Heizwendel 205 verbunden, sodass die an den PV-Zellen 20 absorbierte Wärme auf das in der Heizwendel zirkulierende Wärmeträgerfluid 204 übertragen wird. Das Anschlussdetail zwischen dem Warmwasserbehälter 206 und dem Lichtleiter 21 zeigt eine Gewindebuchse mit Elektroanschluss für Anode (+) und Kathode (–) und den Wärmeübertrager 201, der etwa die Hälfte der von den PV-Zellen 20 absorbierten Energie auf das in der Heizwendel 205 zirkulierende Wärmeträgerfluid 204 innerhalb des Warmwasserbehälters 206 überträgt.
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21 zeigt den Vertikalschnitt durch eine Gebäudehülle 230, bei der die Sonnenkollektormodule 1 als Sonnenschutzlamellen 231 ausgebildet sind und das konzentrierte Sonnenlicht in einem Tageslichtsystem über Tageslichtquellen 233 im Inneren des Gebäudes 23 verteilen. Das Sonnenkollektormodul 1 folgt mit einer horizontalen Drehachse x über einen nicht näher bezeichneten Spindelantrieb dem jeweiligen Höhenwinkel α der Sonne und entspricht in seiner optischen Wirkungsweise dem in 1–7 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Das Sonnenkollektormodul 1 als Sonnenschutzlamelle 231 kann alternativ auch als photovoltaischer und solarthermischer Kollektor ausgebildet werden und dient in diesem Fall der Stromversorgung und der thermischen Konditionierung des Gebäudes 23 einschließlich der Möglichkeit, den Wärmeüberschuss über einen Adsorptions- oder Absorptionswärmetauscher zur Kühlung des Gebäudes zu nutzen.
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22 zeigt die parallele Verkettung von vier Sonnenkollektormodulen 1, bei denen das erste Konzentratorelement 10 von einer Parabolrinne 100 gebildet wird und die als photovoltaische und solarthermische Sonnenkollektormodule 1 in ihrem Aufbau den in den 1–16 beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechen. Die dargestellte Anordnung der Sonnenkollektormodule 1 dient, wie auch in 22 gezeigt, der Stromerzeugung im kraftwerkstechnischen Maßstab. Im Sinne einer wirtschaftlichen Herstellung der Komponenten sind die Parabolrinnen 100 aus Stahl- bzw. Faserbetonfertigteilen mit einem Spiegel aus hochreflektierendem Aluminium oder aus Dünnglaselementen hergestellt und zeigen einschließlich der Mediensäulen 114, an die jeweils zwei Prismenröhren 11 angeschlossen sind, einen standardisierten Aufbau.
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23 zeigt ein Kollektorfeld 22 mit einer Mehrzahl von Sonnenkollektormodulen 1, die in ihrer Anordnung dem in 21 gezeigten Schema entsprechen und an Land auf einem Drehteller 220 und im Wasser auf einem Floß 221 angeordnet werden und durch Drehung um die vertikale Drehachse x dem jeweiligen Azimutwinkel γ der Sonne folgen. Mit der hier dargestellten einachsigen Nachführung um die vertikale Drehachse x wird jeweils an einem Sonnenkollektormodul 1, dessen Konzentratortechnik den in 1–16 beschriebenen Ausführungsbeispielen entspricht, eine bis zu 1000-fache Konzentration des Sonnenlichts auf hocheffiziente PV-Zellen 20 erreicht. Nicht näher bezeichnete Wartungsgänge zwischen den Parabolrinnen 100 tragen zum wirtschaftlichen Betrieb der nur einachsig nachgeführten Sonnenkollektormodule 1 bei.
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24 zeigt den Ausschnitt eines Kollektorfelds 22 mit vier Sonnenkollektormodulen 1, die in ihrem Aufbau bzgl. der Prismenröhre 11, der lichtleitenden Röhre 12 und dem Empfängerelement dem in 13 und 14 beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht. Das erste Konzentratorelement 10 wird hier von einem Lamellenspiegel 102 gebildet. Auf Stützen 222, Hauptträgern 223 und Nebenträgern 224 ist jeweils eine Mehrzahl von verspiegelten Glaslamellen in einer kammartigen Struktur so angeordnet, dass bei Nachführung um die vertikale Drehachse x die parallelen Strahlen Sp der Sonne, wie in 25 gezeigt, auf die Brennlinie f des Lamellenspiegels 102 fokussiert werden. Die Mediensäulen 114 dienen jeweils der Ableitung des an den PV-Zellen 20 gewonnenen elektrischen Stroms über Anode (+) und Kathode (–) und der von den PV-Zellen 20 absorbierten Wärme durch ein Wärmeträgerfluid 204 mit Vorlauf 202 und Rücklauf 203.
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25 zeigt die Reihung der Sonnenkollektormodule 1 nach 24 als vertikaler Querschnitt mit Darstellung der Fokussierung der parallelen Strahlen Sp als gebündelte Strahlen Sg auf die Brennlinie f der vier Lamellenspiegel 102. Die einzelnen Lamellen eines Lamellenspiegels 102 bestehen aus streifenförmigen Glasplatten, die in einer Kammstruktur auf die Nebenträger 224 des von Stützen 222 und Hauptträgern 223 gebildeten Tragwerks des Kollektorfelds 22 aufgesteckt werden. Unter den Lamellenspiegeln 102 wird ein Raum für Wartung und Inspektion des auf einem Drehteller 220 schwimmend gelagerten Kollektorfelds 22 gebildet.
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26 zeigt ein modular aufgebautes Kollektorfeld 22, das an Land auf einem Drehteller 220 und auf einer Wasserfläche auf einem Floß 221 gelagert ist, in einer schematischen perspektivischen Aufsicht mit Darstellung des von Stützen 222, Hauptträgern 223 und Nebenträgern 224 gebildeten Tragwerks für die Lamellenspiegel 102 entsprechend 24 und 25.
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27 zeigt den Ausschnitt eines Kollektorfelds 22 nach 26 mit vier Sonnenkollektormodulen 1, deren erstes Konzentratorelement 10 aus einer Anordnung totalreflektierender Prismen 103 besteht.
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28 zeigt die totalreflektierenden Prismen 103 nach 27 auf einem von Stützen 222, Hauptträgern 223 und Nebenträgern 224 gebildeten Tragwerk in einem perspektivischen Ausschnitt mit acht jeweils an Mediensäulen 114 gelagerten Prismenröhren 11. Der große Vorteil der totalreflektierenden Prismen 103 im Vergleich zu dem in 24–26 gezeigten Lamellenspiegel 102 besteht darin, dass die totalreflektierenden Prismen 103 die parallelen Strahlen Sp der Sonne verlustfrei auf die Brennlinien f der Sonnenkollektormodule 1 fokussieren können, ohne dass dabei, wie bei einem Spiegel, mit einem Absorptionsverlust von 2% der Sonnenenergie gerechnet werden muss. Die totalreflektierenden Prismen 103 können in einem kontinuierlichen Ziehverfahren aus Borosilikatglas oberflächenfertig hergestellt werden. Ein nicht näher dargestelltes, durch Überdruck gestütztes Foliendach schützt das Kollektorfeld 22 und die totalreflektierenden Prismen 103 vor Verschmutzung. Alternativ kann ein Roboter zur Reinigung der Prismenoberflächen eingesetzt werden.
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29 zeigt die Prismenröhre 11 und die lichtleitende Röhre 12 sowie eine Teilansicht der Mediensäule 114 eines Sonnenkollektormoduls 1 als photovoltaisches und solarthermisches Modul, bei dem eine Mehrzahl von PV-Zellen 20 auf einem wassergekühlten Wärmeübertrager 201 mit Vor- und Rücklauf 202, 203 montiert ist. Ein derartiges Dense Array Modul 200 mit einer elektrischen Leistung von 3,20 kW wird von der Firma AZUR SPACE mit der Produktbezeichnung ”ADAM” als Empfängerelement für einen zweiachsig nachgeführten Parabolspiegel hergestellt und vertrieben. Um an dem erfindungsgemäßen Sonnenkollektormodul 1 mit einachsiger Nachführung um die Drehachse x eine 700-fache Konzentration des Sonnenlichts zu ermöglichen, ist die Parabolrinne 4 m breit und 2,80 m lang. Die Länge von 2,80 m bezieht sich auch auf die Prismenröhre 11 mit einem Außendurchmesser von 480 mm und die lichtleitende Röhre 12 mit einem Durchmesser von 170 mm. Die lichtleitende Röhre 12 besteht aus einem zweischaligen Kupferrohr, bei dem der Zwischenraum mit einem Wärmeträgerfluid 204 beaufschlagt und an den Kühlkreislauf des Dense Array Moduls 200 mit Vor- und Rücklauf 202, 203 angeschlossen ist. Das Fenster 123 wird von einer konvex-konkaven Linse 124 als Konzentratorelement gebildet, die mit der zweischaligen Röhre vakuumdicht verlötet ist, sodass das Innere der lichtleitenden Röhre 12 durch ein Vakuum V von der Atmosphäre getrennt ist. Ein Überdruck Ü zwischen der Prismenröhre 11, die mit ihren sechs radialen Sektoren R1–R6 mit innenliegenden Prismen 112 dem in den 8–12 beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, schützt die Prismen 112 vor Verschmutzung. Dieses Ausführungsbeispiel steht für die Skalierbarkeit der erfindungsgemäßen Anordnung von einem ersten Konzentratorelement 10, einer Prismenröhre 11 und einer lichtleitenden Röhre 12 sowie dem von einer Mehrzahl von PV-Zelle 20 gebildeten Empfängerelement 2. Dabei weist die Apertur der Parabolrinne und die Apertur der Linse 124 ein Verhältnis von 1:100 auf.
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30 zeigt das Sonnenkollektormodul
1 mit einer Leistung von 3,20 kW nach
29 mit einem als Dense Array Modul
200 aus PV-Zellen
20 gebildeten Empfängerelement
2 an der Stirnseite
122 der lichtleitenden Röhre
12. Die von den PV-Zellen
20 absorbierte Wärme wird von einem Wärmeübertrager
201 auf ein Wärmeträgerfluid
204 übertragen, wobei der Zwischenraum der zweischalig aufgebauten, lichtleitenden Röhre
12 den Vorlauf
202 für das Wärmeträgerfluid
204 bildet und der Rücklauf
203 an das Dense Array Modul
200 angeschlossen ist. Die in sechs radiale Sektoren R1–R6 unterteilte Prismenröhre
11 ist konzentrisch zu der Brennlinie f angeordnet und revolviert um die Brennlinie f in einem Drehlager
113 an der Mediensäule
114. Über Anode (+) und Kathode (–) wird der an den PV-Zellen
20 gewonnene Strom abgeleitet. Bezugszeichenübersicht
| Sonnenkollektormodul | 1 | Empfängerelement | 2 |
| Drehachse | x | PV-Zellen | 20 |
| Erstes Konzentratorelement | 10 | Dense Array Modul | 200 |
| Parabolrinne | 100 | Wärmeübertrager | 201 |
| Fresnelspiegel | 101 | Vorlauf | 202 |
| Lamellenspiegel | 102 | Rücklauf | 203 |
| Totalreflektierende Prismen | 103 | Wärmeträgerfluid | 204 |
| Brennlinie | f | Heizwendel | 205 |
| Parallele Strahlen | Sp | Warmwasserbehälter | 206 |
| Gebündelte Strahlen | Sg | Anode | (+) |
| Prismenröhre | 11 | Kathode | (–) |
| Zylinderfläche | 110 | Lichtleiter | 21 |
| Polygonseite | 111 | Faserbündel | 210 |
| Prismen | 112 | Schlauch | 211 |
| Drehlager | 113 | Kollektorfeld | 22 |
| Mediensäule | 114 | Drehteller | 220 |
| Radialer Sektor | R1–Rn | Floß | 221 |
| Winkelhalbierende | w | Stütze | 222 |
| Umgelenkte Strahlen | Su | Hauptträger | 223 |
| Lichtleitende Röhre | 12 | Nebenträger | 224 |
| Verspiegelung | 120 | Gebäude | 23 |
| Längsseite | 121 | Gebäudehülle | 230 |
| Stirnseite | 122 | Sonnenschutzlamelle | 231 |
| Fenster | 123 | Tageslichtquelle | 233 |
| Linse | 124 | Sommersonnenwende | SSW |
| Mehrfach reflektierte Strahlen | Sm | Wintersonnenwende | WSW |
| Azimutwinkel | γ | Vakuum | V |
| Höhenwinkel | α | Überdruck | Ü |
| Fokussierwinkel | α' | | |
| Einfallswinkel | β, δ | | |
| Ausfallswinkel | β', δ' | | |
| Leitwinkelpaar | λ, λ' | | |
