DE102018113484B3 - Vorrichtung zur umwandlung von sonnenlicht in elektrische energie - Google Patents

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Abstract

Es sind bereits zahlreiche Anordnungen bekannt, mit denen Sonnenlicht gesammelt und in elektrischen Strom umgewandelt werden können. Die vorliegende Erfindung soll eine Alternative zu bekannten Vorrichtungen vorschlagen, bei der ein Kollektor mit einer oder mehreren auf einem Wicklungsaufnehmer aufgenommenen Glasfasern verbunden ist, wobei deren eingekoppeltes Licht über ihre Oberfläche an eine abschnittsweise Ummantelung aus Photovoltaikelementen abgibt. Eine Kühlung erfolgt hierbei über einen Wärmetauscher, der über einen geschlossenen Wärmekreis die entstehende Abwärme der Photovoltaikelemente abführt. Hierbei ist der Wärmetauscher als wärmeleitender Schlauch ausgeformt. welcher seinerseits ebenfalls, gleichmäßig zwischen den Wicklungen der wenigstens einen ummantelten Glasfaser, auf dem Wicklungsaufnehmer aufgewickelt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, umfassend eine Glasfaser, welche zumindest abschnittsweise mit einem Band aus Photovoltaikelementen anliegend ummantelt ist.
  • Eine solche ummantelte Glasfaser ist prinzipiell und ihrem Aufbau nach bereits aus der WO 2015/036809 A1 vorbekannt. Hinsichtlich der Konstruktion der ummantelten Glasfaser als solcher soll auf diese Schrift desselben Anmelders verwiesen und im Einzelnen hierauf in der vorliegenden Schrift nicht weiter eingegangen werden.
  • Aus der US 2010/0012167 A1 ist außerdem eine vergleichbare Lösung zur Ummantelung eines nichtplanaren Substrats vorbekannt, auf die hier ebenfalls verwiesen werden soll. Ferner sind in diesem Zusammenhang die JP S59/47773A und die US 2007/0108556 A1 zu erwähnen, welche ähnliche Beschichtungs- und Ummantelungsverfahren beschreiben.
  • Im Wesentlichen macht sich die Erfindung zunutze, dass Licht am Ende einer Glasfaser in diese eingekoppelt und über deren Außenwände wieder abgestrahlt wird. Dabei sind an den Außenwänden der Glasfaser Photovoltaikelemente angeordnet, welche die Glasfaser wie ein Spiralband einschließen. Das aus der Glasfaser austretende Licht fällt daher auf die aufgebrachten Photovoltaikelemente und wird dort in elektrische Energie umgewandelt, die sodann für beliebige Aufgaben zur Verfügung steht oder einem elektrischen Speicher zugeführt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung soll eine konkrete praktisch nutzbare Anwendung hierfür vorschlagen, um eine solche Gewinnung von Energie aus Sonnenlicht baulich umzusetzen.
  • Dies gelingt durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen einer solchen Vorrichtung können den sich anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine solche Vorrichtung eine oder mehrere Glasfasern umfasst, welche einseitig oder beidseitig mit einem Kollektor verbunden sind. Der Kollektor bündelt einfallendes Sonnenlicht und leitet dieses in die Enden der Glasfasern ein. Die Glasfasern wiederum sind in an sich bekannter Art und Weise mit Photovoltaikelementen ummantelt und geben nach und nach über ihre Mantelfläche das an den Enden eingespeiste Sonnenlicht nach außen ab.
  • Soweit eine einseitige Verbindung mit dem Kollektor erfolgt, wird das einfallende Licht im Verlauf der Glasfaser sowohl aufgrund des Austritts als auch aufgrund der eigenen Dämpfung der Glasfaser immer schwächer, bis irgendwann kein weiteres Licht mehr aus der Glasfaser austritt und folglich die Ummantelung kein weiteres Licht mehr in elektrische Energie umsetzen kann. Wird hingegen die Glasfaser von beiden Seiten von dem Kollektor gespeist, kann ihre Länge so gewählt werden, dass der Lichteinfall sich in einem mittleren Bereich von beiden Seiten überlagert und damit verstärkt.
  • In konkreter Ausgestaltung wird hierbei die wenigstens eine Glasfaser zumindest in einem mittleren Bereich auf einen Wicklungsaufnehmer aufgewickelt, um die Glasfaser geordnet aber Platz sparend zu lagern. Beispielsweise kann die Glasfaser auf eine Wickeltrommel aufgewickelt und unter dem Dach eines Hauses aufgestellt werden, während die Glasfaserenden mit einem auf dem Dach angeordneten und der Sonne zugewandten, bedarfsweise nachgeführten, Kollektor verbunden sind.
  • Auf diese Weise kann das auf den Kollektor eingestrahlte Licht in elektrische Energie umgewandelt werden, wobei die Photovoltaikelemente elektrisch derart verdrahtet sind, dass die elektrische Spannung an endständig angeordneten Verbindungsleitungen in bekannter Art und Weise abgegriffen und bedarfsweise nach einer Transformation und/oder Wechselrichtung einem elektrischen Verbraucher oder einem elektrischen Speicher zugeführt oder in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist werden kann.
  • Um während des Betriebs einer zu großen Wärmeentwicklung bei der Umwandlung der elektrischen Energie in den Solarzellen vorzubeugen, kann vorteilhafter Weise ein Wärmetauscher eingesetzt werden, der die Wärme aus dem Inneren des aufgewickelten Glasfaserstrangs herausfördert. Ein solcher Wärmetauscher kann als Wärme leitender Schlauch ausgebildet sein, welcher von einem Kühlmittel durchströmt wird. Der Wärmetauscher bildet einen geschlossenen Wärmekreis mit einer Wärmesenke, von welcher die abgeführte Wärme aufgenommen werden kann. Die zur Durchströmung erforderliche Fördereinheit, mithin eine Kühlmittelpumpe, kann etwa bereits mit der von den Photovoltaikelementen bereitgestellten Spannung betrieben werden.
  • Mit dem ersten Wärmetauscher in Form eines wärmeleitenden Schlauchs verbunden ist in dieser Ausgestaltung eine Wärmesenke, welche in verschiedenen Formen ausgebildet sein kann. Besonders vorteilhaft kann es sein, hierfür eine Kältemaschine vorzusehen, da diese die von dem geschlossenen Wärmekreis abgeführte Wärmeenergie in eine Bewegung umsetzen kann, die wiederum über einen Generator zur Stromerzeugung beiträgt. Die Abwärme der Photovoltaikelemente kann dadurch ihrerseits wieder genutzt werden, um den Effizienzgrad der Gesamtanordnung zu verbessern. Als solche Kältemaschine kann beispielsweise ein Heißluft-Stirlingmotor oder ein Wankelmotor eingesetzt werden.
  • Alternativ kann die Wärme auch lediglich abgeführt werden, etwa über einen geothermischen Wärmetauscher, der die Abwärme in das Erdreich ableitet. Auch sind zahlreiche weitere Arten von Wärmesenken für den Einsatz in diesem Zusammenhang geeignet.
  • Die Glasfaser, welche von dem Band aus Photovoltaikelementen ummantelt ist, kann ferner, vorzugsweise in einer mit der Ganghöhe des Spiralbands aus Photovoltaikelementen korrespondierenden Spiralform, an ihrer Außenwand zumindest abschnittsweise angeschliffen, so dass das in der Glasfaser geleitete Licht an der angeschliffenen Stelle bevorzugt in die darüberliegenden Photovoltaikelemente austreten kann.
  • Die Anordnung der Glasfasern auf dem Wicklungsaufnehmer kann ferner auf verschiedene Arten und Weisen erfolgen. Es kann etwa eine Glasfaser mit einem ersten Ende an dem Kollektor befestigt sein, so dass einfallendes Sonnenlicht in die Glasfaser eingekoppelt wird. Im Laufe der Glasfaser wird das Licht jedoch bereits aufgrund von Dämpfungseffekten der Glasfaser so weit nachgelassen haben, dass die Photovoltaikelemente nicht mehr ausgelastet werden können. Durch ein beiderseitiges Anschließen der Glasfaser an dem Kollektor wird dieser Effekt bereits deutlich verringert, da nun das Sonnenlicht von beiden Seiten her in die Glasfaser einfallen kann.
  • Die Erfindung sieht hierfür zunächst vor, dass bei den einzelnen Glasfasern die gewählten einseitigen oder beidseitigen Beschickung mit Sonnenlicht die Länge so bemessen ist, dass die Lichteinkopplung in die Photovoltaikelemente an der dunkelsten Stelle noch ausreichend ist. Durch zahlreiche parallel geführte Glasfasern kann die Gesamtausbeute verbessert werden.
  • Alternativ ist es aber als Lösung auch vorgesehen, dass ein Hauptstrang der Glasfaser in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen immer wieder von dem Kollektor her kommend mit neuen Glasfasern beschickt wird, so dass die Lichtintensität in der Glasfaser immer wieder aufgefrischt wird. Hierdurch wird nicht mit vielen kurzen, sondern mit einer langen Glasfaser mit kurzen, voneinander in Ausbreitungsrichtung des Lichts in der Glasfaser beabstandeten Zuleitungen gearbeitet.
  • Der Kollektor kann mit einigem Vorteil als Kollektorprisma ausgestaltet sein, wobei das Kollektorprisma in diesem Fall eine Vielzahl optischer Anschlusselemente aufweist, an welchen die Glasfasern, vorzugsweise möglichs verlustarm und gleichzeitig zugfest, angeschlossen werden können.
  • Konkret kann das Kollektorprisma etwa als Kegelprisma ausgestaltet sein, welches Anschlusselemente zur optisch leitenden Befestigung der Glasfasern an seiner Unterseite, also der Grundfläche des Kegelprismas, besitzt. In diesem Fall wird das auf die Kegelflächen einfallende Licht innerhalb des Prismas zur Bodenfläche hingelenkt und dort in die Enden der Glasfasern eingekoppelt.
  • Um eine bessere Beschickung des Kollektors mit Sonnenlicht zu erreichen, kann neben der direkten Einstrahlung von Sonnenlicht auf den Kollektor auch ein Reflektor eingesetzt werden, welcher an dem Kollektor vorbeifallendes Sonnenlicht auf den Kollektor lenkt. Bedarfsweise kann der Reflektor auch den Tag hinweg nachgeführt werden. Als Reflektor eignet sich vor allem ein Spiegel, insbesondere ein Parabolspiegel oder ein Parabolrinnenspiegel.
  • Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen
    • 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte mit Photovoltaikelementen ummantelte Glasfaser in einer perspektivischen Darstellung von schräg oben,
    • 2 die Anordnung einer Glasfaser an einem Kollektor, die Lagerung der Glasfaser und deren Kühlung in einer schematischen Darstellung, sowie
    • 3 einen Kollektor in Form eines Kegelprismas mit einem Reflektor in einer perspektivischen Darstellung von schräg oben.
  • 1 zeigt eine Glasfaser 1, welche in aus dem Stand der Technik bekannter Weise mit einem Band aus einzelnen, elektrisch miteinander verdrahteten Photovoltaikelementen 2 hergestellt ist. Die Photovoltaikelemente 2 sind so direkt auf der Außenfläche der Glasfaser 1 angebracht, dass das in der Glasfaser 1 geführte Sonnenlicht 8 unterhalb der Photovoltaikelemente 2 austritt, so dass die Photovoltaikelemente 2 das Sonnenlicht 8 in elektrische Energie umwandeln können. Seitlich ist das spiralförmig auf der Glasfaser aufgebrachte Band aus Photovoltaikelementen 2 von elektrischen Ableitungen 3 eingefasst, wobei eine wechselnde Isolations- und Verbindungsschicht dafür sorgt, dass die Verschaltung der Photovoltaikelemente 2 in geeigneter Weise erfolgt. Eine solche ummantelte Glasfaser 1 ist im Folgenden in 2 in Bezug genommen.
  • 2 zeigt, wie diese Glasfaser 1 von einem Kollektorprisma 7, welches dem Sonnenlicht 8 ausgesetzt ist, über einen Wicklungsaufnehmer 5 mit einer Wickeltrommel 6, auf dem die Glasfaser 1 in mehreren Glasfaserwicklungen 4 geführt ist, zurück zu dem Kollektorprisma 7 verläuft. Mit dem Kollektorprisma 7, das eine Kegelform besitzt und an seiner Kegelgrundseite eine Vielzahl von Anschlusselementen zur optisch leitenden und kraftschlüssigen Verbindung aufweist, kann einfallendes Sonnenlicht 8 in die Glasfaser 1 eingekoppelt werden, das seine Energie im Verlauf der Glasfaser 1 an die ummantelnden Photovoltaikelemente 2 abgibt. Aufgrund dieser Bauart kann ein langgestreckter Glasfaserstrang kompakt gelagert werden, im Fall einer Dachmontage des Kollektors beispielsweise direkt unter dem Dach auf einer Art Kabeltrommel. Zwischen den Glasaserwicklungen 4 und dem Kollektorprisma 7 erfolgt eine elektrische Ableitung 3 der von den Photovoltaikelementen 2 umgesetzten elektrischen Energie, welche über einen Photovoltaikanschluss 18 an einen elektrischen Speicher 15 weitergeleitet wird.
  • Um eine Überhitzung zu vermeiden, ist im Bereich des Wicklungsaufnehmers 5 eine Kältemaschine 13 angeordnet, beispielsweise in Form einer Stirlingmaschine. Über einen Wärmetauscher in Form eines neben den Glasfaserwicklungen 4 auf demselben Wicklungsaufnehmer 5 aufgewickelten wärmeleitenden Schlauchs kann nun die Wärme von den Photovoltaikelementen 2 aufgenommen werden, wird an die Kältemaschine 13 weitergeleitet und so den Photovoltaikelementen 2 entzogen. Die hierdurch an der Kältemaschine frei werdende Energie kann über einen Generator 14 ihrerseits in elektrische Energie umgesetzt werden, die über einen Generatoranschluss 17 ebenfalls an den elektrischen Speicher 15 abgegeben wird. Eine Fördereinheit 12, welche zur Förderung eines Kühlmittels durch den wärmeleitenden Schlauch 10 und dessen parallel zu den Glasfaserwicklungen 4 verlaufenden Schlauchwicklungen 11 dient, wird direkt aus dem elektrischen Speicher gespeist, so dass keine zusätzliche Energie hierfür aufgewendet werden muss.
  • 3 zeigt schließlich das Kollektorprisma 7, welches in Kegelform ausgestaltet ist und an dem eine Vielzahl von Glasfasern 1 angeschlossen sind. Diese werden mit einfallendem Sonnenlicht 8 gespeist, welches direkt auf das Kollektorprisma 7 oder zunächst auf einen im Bereich des Kollektorprismas 7 angeordneten Reflektor 9 und von diesem auf das Kollektorprisma 7 eingestrahlt wird. In dem kegelförmigen Kollektorprisma 7 wird das Licht in Richtung des Kegelbodens umgelenkt und dort in die Enden der mit dem Kollektorprisma 7 verbundenen Glasfasern 1 eingekoppelt, so dass das Sonnenlicht 8 im Weiteren an den die Glasfasern 1 ummantelnden Photovoltaikelementen 2 in elektrische Energie umgewandelt werden können.
  • Vorstehend beschrieben ist somit eine konkrete praktisch nutzbare Anwendung zum Einsatz einer mit Photovoltaikelementen ummantelten Glasfaserleitung zur Umsetzung von Sonnenenergie in elektrische Energie, sowie eine mögliche bauliche Umsetzung hierfür.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Glasfaser
    2
    Photovoltaikelement
    3
    Ableitung
    4
    Glasfaserwicklung
    5
    Wicklungsaufnehmer
    6
    Wickeltrommel
    7
    Kollektorprisma
    8
    Sonnenlicht
    9
    Reflektor
    10
    wärmeleitender Schlauch
    11
    Schlauchwicklung
    12
    Fördereinheit
    13
    Kältemaschine
    14
    Generator
    15
    elektrischer Speicher
    16
    Pumpenanschluss
    17
    Generatoranschluss
    18
    Photovoltaikanschluss

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenlicht (8) in elektrische Energie, umfassend wenigstens eine Glasfaser (1), welche zumindest abschnittsweise mit einem Band aus Photovoltaikelementen (2) ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine ummantelte Glasfaser (1) wenigstens abschnittsweise auf einen Wicklungsaufnehmer (5) aufgewickelt ist und einseitig oder beidseitig mit einem dem Sonnenlicht (8) auszusetzenden Kollektor derart optisch verbunden ist, dass auf den Kollektor auftreffendes Sonnenlicht (8) in die wenigstens eine Glasfaser (1) eingekoppelt wird.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einem wärmeleitenden Schlauch (10) gebildeter Wärmetauscher, welcher vermittels einer Fördereinheit (12) von einem Kühlmedium durchströmt und mit einer Wärmesenke zu einem geschlossenen Kühlkreislauf verbunden ist, vorzugsweise gleichmäßig, zwischen die Wicklungen (4) der ummantelten Glasfaser auf den Wicklungsaufnehmer (5) aufgewickelt ist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wärmesenke um eine Kältemaschine (13) handelt, insbesondere einen Heißluft-Stirlingmotor oder Heißluft-Wankelmotor, welcher mit über den geschlossenen Kühlkreislauf herangeführter Abwärme aus den Photovoltaikelementen (2) betrieben wird und einen Generator (14) zur Umwandlung von Bewegungsenergie der Kältemaschine in elektrische Energie antreibt.
  4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wärmesenke um einen weiteren, vorzugsweise geothermischen, Wärmetauscher handelt.
  5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Glasfaser (1) an ihrer Außenwand zumindest abschnittsweise, vorzugsweise in einer Spiralform, angeschliffen ist.
  6. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere abschnittsweise ummantelte Glasfasern (1) und/oder mehrere parallele wärmeleitende Schläuche (10) in paralleler Wicklung auf dem Wicklungsaufnehmer (5) aufgewickelt sind.
  7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zumindest abschnittsweise ummantelte Glasfasern (1) mit dem Kollektor verbunden sind und nacheinander in einen gemeinsamen Glasfaser-Hauptstrang einkoppeln.
  8. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor wenigstens ein Kollektorprisma (7) umfasst, wobei das wenigstens eine Kollektorprisma (7) mit wenigstens einem Anschlusselement zur optisch leitfähigen und kraftschlüssigen Befestigung der Glasfaserenden an dem Kollektor optisch leitfähig verbunden ist.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kollektorprisma (7) um ein Kegelprisma handelt, wobei die Anschlusselemente an der Grundfläche des Kegelprismas angeordnet sind.
  10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kollektorprisma (7) ein Reflektor (9) zur Umlenkung einfallenden Sonnenlichts (8) auf das Kollektorprisma zugeordnet ist.
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CN117792235B (zh) * 2024-02-16 2024-05-14 三亚豺特光伏科技有限公司 耕地高空光伏发电方法及光伏发电悬索

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