DE112009001135T5 - Photovoltaischer Generator mit sphärischer Abbildungslinse zur Verwendung mit einem parabolischen Solarreflektor - Google Patents

Photovoltaischer Generator mit sphärischer Abbildungslinse zur Verwendung mit einem parabolischen Solarreflektor Download PDF

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University of Arizona
Arizona State University ASU
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Generator für die photovoltaische Umwandlung konzentrierten Sonnenlichts in Elektrizität. Ein erfindungsgemäßer Generator umfasst eine Vielzahl von Photovoltaikzellen und ist für einen Betrieb in der Nähe des Brennpunktes eines großen parabolischen Reflektors gedacht, der auf die Sonne gerichtet ist. Innerhalb des Generators wird das eindringende konzentrierte Licht von einer sekundären Optik an die Zellen vermittelt, die in einer kompakten, konkaven Aufstellung angeordnet sind. Das Licht wird an die Zellen in hoher Konzentration abgegeben, die mit einem hohen photovoltaischen Umwandlungswirkungsgrad und geringen Zellkosten pro Leistungsabgabeeinheit vereinbar ist. Das Licht dringt in den Generator bevorzugt zuerst durch ein Verschlussfenster ein, und geht durch eine Feldlinse, bevorzugt in Form einer ganzen Sphäre oder Kugellinse, die auf den parabolischen Brennpunkt zentriert ist. Diese Linse bildet ein konzentrisches, konkaves und weitwinkliges Bild des Primärreflektors, wo die Intensität des konzentrierten Lichts gegenüber Änderungen in der Position des konzentrierten Lichts, das in den Generator eindringt, stabilisiert ist. Empfangen wird das stabilisierte Licht von flachen photovoltaischen Zellen, die in verschiedenen Formen und Größen angefertigt werden und in einer konkaven Aufstellung konfiguriert sind, die dem konkaven Bild eines bestimmten Primärreflektors entspricht. Die Photovoltaikzellen in einem Generator sind auch dimensioniert und zusammengeschaltet, um eine einzige elektrische Ausgabe bereitzustellen, die trotz Aberrationen in dem Licht, das an den Generator abgeben wird, die z. B. durch Fehlausrichtung oder Durchbiegung des Primärreflektors verursacht werden, hoch und beständig bleibt. Bei einigen Ausführungsformen sind die Zellen von dem Bild zurückgesetzt, das von der Kugellinse gebildet wird, und ein Teil des Lichts wird auf die kleinen Sekundärreflektoren jeder Zelle in Form von Spiegeln, die um ihren Umfang herum eingesetzt sind, reflektiert.

Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Der Klimawandel wird als ein bedeutendes Problem angesehen, dem erhebliche Aufmerksamkeit gewidmet wird. Auf Grund der weltweiten Energieerzeugung aus fossilen Energieträgern, sammeln sich große Mengen von Treibhausgasen in unserer Atmosphäre an. Viele Experten glauben, dass wenn nicht bald etwas unternommen wird, um diese Ansammlung zu verzögern oder sogar umzukehren, unser Klima und die Welt, in der wir leben, unter katastrofischen Konsequenzen zu leiden haben werden. Experten sagen voraus, dass ein Anstieg globaler Temperaturen von nur wenigen Graden das Polareis schmelzen lassen wird und zu einem Anstieg der Meeresspiegel führen wird, der ausreicht, um viele Küstenstädte unter Wasser zu setzen. Das Aussterben zahlreicher Pflanzen- und Tierarten wird ebenfalls von einigen Wissenschaftlern vorhergesagt. Angesichts dieser und anderer wesentlicher bedeutender Effekte der Verbrennung fossiler Energieträger zur Erzeugung von Energie besteht ein bedeutender Bedarf an einem Verfahren und Gerät, die Energie auf kostengünstige Art und Weise ohne die Erzeugung bedeutender Treibhausgase erzeugen können.
  • Solarenergieanlagen weiden wahrscheinlich keinen bedeutenden Einfluss auf die Reduzierung von Treibhausgasen in der Atmosphäre haben, bis Elektrizität unter Verwendung von Solarenergie zu Kosten erzeugt werden kann, die zu Elektrizität, die durch die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugt wird, konkurrenzfähig sind. Die Kosten sind für Solarenergieanlagen ausschlaggebend. In der Tat kann man die Kosten nicht genug betonen, weil sie so wichtig sind, dass allein die Kosten den Unterschied zwischen Erfolg und Fehlschlag ausmachen können. Solange solar erzeugte Elektrizität mehr kostet als Elektrizität, die durch die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugt wird, besteht wenig Aussicht, dass Sonnenkraft einen bedeutenden Einfluss auf die Reduzierung von Treibhausgasen in unserer Atmosphäre haben wird. Es besteht ein seit langem bemerkter Bedarf an einem Gerät und einem Herstellungsverfahren für eine Solarumwandlungsanlage, die niedrige Gesamtanlagenkosten aufweist und in der Lage ist, Elektrizität zu Kosten zu erzeugen, die zu Elektrizität, die durch die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugt wird, konkurrenzfähig ist.
  • In der Vergangenheit waren Bemühungen, Solarelektrizität direkt aus Photovoltaikzellen zu erzeugen, auf Grund relativ hoher Investitionskosten, insbesondere im Vergleich zu alternativen Verfahren zur Elektrizitätserzeugung, nicht ganz zufriedenstellend. Solarenergieanwendungen in der Größe, wie sie von Versorgungsbetrieben verwendet wird, haben meistens Wärmeanlagen verwendet, bei denen Sonnenstrahlen konzentriert wurden, um Wärme bereitzustellen, die dann durch die Verwendung eines Motors, der einen elektromagnetischen Generator antrieb, in Elektrizität umgewandelt wurde. Wärmekraftanlagen haben gewöhnlich große optische Reflektoren verwendet, um ein Arbeitsfluid mit fokussiertem Sonnenlicht zu erwärmen. Die Umwandlungseffizienz war bei Anlagen mit Sonnenlicht, das nur auf mäßigem Niveau in einer Dimension von muldenförmigen Reflektoren konzentriert wurde, relativ gering.
  • Die photovoltaische Umwandlung, mit Mehrfachzellen wurde verwendet, um Elektrizität aus Sonnenlicht zu erzeugen, wozu Anordnungen mit Sonnenlichtkonzentration zum Verbessern des Wirkungsgrads gehören, doch die Kosten vollständiger konzentrierender Photovoltaikanlagen war zu hoch, um konkurrenzfähig zu sein. Eine Ursache für diese hohen Kosten war es, dass bei den meisten vorhergehenden Versuchen, die konzentrierende Photovoltaikanlagen verwenden, die Einheit für Konzentration und Umwandlung von Sonnenkraft zu klein war, typischerweise aus einer einzigen Photovoltaikzelle bestehend, die von einem kleinen Spiegel oder einer kleinen Linse betrieben wurde, um Sonnenlicht auf die Zelle zu fokussieren. Kleine Einheiten wurden zum Umwandeln konzentrierten Sonnenlichts in Elektrizität bevorzugt, weil sie bei kleiner Größe einfach und passiv gekühlt werden konnten, und einzelne Zellen mühelos für Richtfehler der Nachführeinrichtung unempfindlich zu machen sind, sie waren jedoch kostspielig in der Herstellung und Aufstellung in dem großen Rahmen, der für Energieversorgungsbetriebe benötigt wird. Da die relativ hohen Kosten dieser früheren Vorrichtungen, die konzentrierende Photovoltaikanlagen verwendeten, nicht konkurrenzfähig waren, haben diese Vorrichtungen wenig Einfluss gehabt und stellen nur einen sehr kleinen Anteil der jährlich erzeugten gesamten Elektrizität dar.
  • Es bestand ein lang empfundener Bedarf für eine Anlage aus Photovoltaikgeneratoren, die konzentriertes Hochleistungssonnenlicht zu geringen Kosten pro Leistungseinheit abgeben, die gegenüber alternativen herkömmlichen Verfahren zur Elektrizitätserzeugung durch Verbrennung fossiler Energieträger konkurrenzfähig ist.
  • AUFGABEN UND MERKMALE DER ERFINDUNG
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Einschränkungen der Vergangenheit zu überwinden, indem Photovoltaikgeneratoren mit höherer Nennleistung bereitgestellt werden, die dazu ausgelegt sind, um mit großen Solarreflektoren, die konzentriertes Hochleistungssonnenlicht zu geringen Kosten pro Leistungseinheit abgeben, effizient zu funktionieren. Derartige Generatoren, die jeweils zahlreiche Photovoltaikzellen umfassen, verwenden eine aktive Kühlung und interne Optik, um das Licht gleichmäßig über alle Photovoltaikzellen zu verstreuen, trotz Biegung und Fehlausrichtung des Primärreflektors.
  • Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Erzeugung von elektrischer Leistung zu geringen Kosten pro Energieeinheit unter Verwendung einer photovoltaischen Umwandlung von Sonnenkraft zu erleichtern. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Umwandlung von Sonnenlicht, das bereits in zwei Dimensionen von einem auf die Sonne gerichteten großen Parabolreflektor konzentriert wurde. Die vorliegende Erfindung ist zum Betrieb mit einem Gerät gedacht, das konzentrierte Sonnenkraft bereitstellt, die zu geringen Kosten jedoch auf relativ hohen Eingangsleistungspegeln abgegeben wird, typischerweise im Bereich von 2 bis 20 kW. Die Umwandlung bei derartigen Leistungspegeln führt zu mehr örtlicher Abwärme als einfach durch Wärmeleitung an eine Rippenstruktur gekühlt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit dem Gerät zum starken Konzentrieren von Sonnenlicht geeignet, das in der Anmeldung mit der Seriennummer 12/463 001 offenbart wird, die gleichzeitig hierzu eingereicht wird, unter dem Titel „Solar Concentrator Apparatus with Large, Multiple, Co-Axial Dish Reflectors”, von Roger P. Angel und Warren B. Davison. Die großen Parabolreflektoren, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können vorteilhaft unter Verwendung des Herstellungsverfahrens angefertigt werden, das in der Anmeldung mit der Seriennummer 12/463 026 offenbart wird, die gleichzeitig hierzu eingereicht wird, unter dem Titel „Method of Manufacturing Large Dish Reflectors for a Solar Concentrator Apparatus”, von Roger P. Angel und Blain H. Olbert. Diese Erfindungen stellen zusammen die geringsten Kosten für konzentrierte Sonnenkraft bereit, wenn die zu jedem einzelnen Brennpunkt gebrachte Sonnenkraft ungefähr 8 kW beträgt. Dieses Kostenminimum ergibt sich aus einer Optimierung der Anlage, welche die Auslegung für die geringsten Material- und Herstellungskosten umfasst. Somit wird eine Stahlstruktur, welche die Funktionen des Tragens, Gruppieren und Nachführen der Reflektoren integriert, verwendet und wird für die geringste Stahlmasse pro Kilowatt von zum Brennpunkt gebrachter Sonnenkraft optimiert. Die Reflektoren sind dünne Glasmonolithen, die durch einen Herstellungsprozess angefertigt werden, der spezifisch für geringe Kosten optimiert ist, wenn bei einer Rate von 30 Quadratkilometern pro Jahr produziert wird, die ausreicht, um eine Erzeugungskapazität von ungefähr 7 Gigawatt (Höchstelektrizität) pro Jahr hinzuzufügen.
  • Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Photovoltaikzellen in einer kompakten Generatoreinheit zu konfigurieren, die nur die Energieumwandlungsfunktion einer kompletten Anlage durchführt, wobei die zusätzlichen Funktionen des Sammelns und Konzentrierens der Sonnenkraft in der Bauform deutlich getrennt sind. Durch das Auslegen einer derartigen Trennung können die Herstellungskosten unabhängig für jede Funktion minimiert werden, um eine Produktion im sehr großen Rahmen bei niedrigsten Investitionskosten bereitzustellen. Eine erfindungsgemäße Generatoreinheit umfasst eine Anlage aus Photovoltaikzellen mit ihren dazugehörigen optischen, elektrischen und kühltechnischen Elementen, die in einem kleinen Gehäuse enthalten sind, um Massenproduktion, Transport und Austausch zu erleichtern und um das Blockieren von Licht zu minimieren, wenn sich der Generator im Hauptbrennpunkt eines Primärreflektors befindet.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die geringen Kosten pro Leistungseinheit zu nutzen, die durch Photovoltaikzellen erzeugt wird, die mit hoch konzentriertem Licht verwendet werden. Auch wenn somit eine Konzentrator-Photovoltaikzelle pro Zellenflächeneinheit 100mal teurer ist als eine normale Silizium-Photovoltaikzelle, kann sie, wenn sie bei einem sehr hohen Solarkonzentrationsfaktor von 1000 verwendet wird, eine etwa zehnfache Reduzierung der Zellenkosten pro Einheit der elektrischen Leistungsabgabe erreichen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein praktisches Gerät bereitzustellen, das dazu geeignet ist, um Zellen bei sehr hohen Solarkonzentrationen von bis zu 1000 und mehr zu betreiben.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die höchstmögliche elektrische Leistung aus einer bestimmten Eingabe von konzentrierter Solarenergie aus einem bestimmten, kostengünstigen. Gerät zur optischen Konzentration und Nachführung der Bewegung der Sonne zu erzeugen. Wenn die Zellenkosten pro abgegebener Leistungseinheit effektiv gemäß der vorliegenden Erfindung reduziert werden, sind die überwiegenden Kosten einer vollständigen Solarelektrizitäts-Erzeugungsanlage wahrscheinlich die des Geräts zur optischen Konzentration und Nachführung in der gesamten Anlage, und nicht die Kosten der Photovoltaikzellen. Bei dieser Kostenrechnung ist der hohe Umwandlungswirkungsgrad von ungefähr 40%, der durch Mehrfachphotovoltaikzellen erreicht wird, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, besonders wertvoll. Je höher der Generatorwirkungsgrad, der erreicht werden kann, desto geringer ist der Anteil der Kosten pro Einheit der elektrischen Leistung, die von einer bestimmten Konzentratoranlage beigesteuert wird.
  • Eine weitere Aufgabe ist es, dass der Generator der vorliegenden Erfindung in der Lage sein sollte, durchweg mit einem hohen globalen Umwandlungswirkungsgrad funktionieren zu können, auch wenn er mit einer kostengünstigen und leicht gebauten Konzentratoranlage und einer entsprechenden Tragestruktur betrieben wird. Eine derartige Anlage kann den Generator mit Sonnenlicht versorgen, das nicht ideal zentriert konzentriert ist und das sich auf Grund von Windböen oder mechanischer Durchbiegung im Verhältnis zum Generatoreingang bewegen kann. Es ist somit eine Aufgabe, dass der Generator trotz solcher Mängel bei der Eingabe individuelle Photovoltaikzellen oder gruppierte Zellen mit im Wesentlichen gleichen Solarstrahlungsmengen versorgt, so dass die Photovoltaikzellen individuell im Wesentlichen den gleichen elektrischen Strom erzeugen, und wenn sie in Reihe geschaltet sind, durchweg eine hohe Ausgangsleistung beibehalten.
  • Es ist eine weitere Aufgabe, dass konzentriertes Licht, das an den Generator der vorliegenden Erfindung abgegeben wird, auf die photovoltaisch aktiven Flächen der Photovoltaikzellen gelenkt wird und nicht auf die lichtunempfindlichen Sammelschienen an den Zellen oder auf eventuelle Zwischenräume dazwischen, um den Umwandlungswirkungsgrad zu maximieren.
  • Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen sehr zuverlässigen Generator für geringe lebenslängliche Energiekosten bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung bietet somit eine optische Anlage, die örtliche überhitzte Stellen bei der Ausleuchtung innerhalb einer Photovoltaikzelle vermeidet und eine effiziente Kühlung bietet, um die Temperaturwechselbeanspruchung und die Betriebstemperatur zu minimieren.
  • Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist ihre Integration einer neuartigen Optik innerhalb des Generators, um die obigen Aufgaben zu erfüllen. Die erfindungsgemäße Optik stellt die gewünschte Ausleuchtungsgleichförmigkeit für viele oder alle der Photovoltaikzellen trotz der Ungleichförmigkeit des eintretenden Lichts und trotz der Fehlausrichtung bereit. Die interne Generatoroptik gemäß der vorliegenden Erfindung kann konfiguriert sein, so dass im Wesentlichen das gesamte konzentrierte Sonnenlicht, das in den Generator eingedrungen ist, auf die aktive Fläche der Photovoltaikzellen gelenkt wird. Ein weiteres Merkmal der internen Generatoroptik ist es, die Gleichförmigkeit der Zellenausleuchtung und die hohe Durchsatzleistung trotz der sehr hohen Lichtkonzentration an den Zellen aufrechtzuerhalten. Im Allgemeinen neigt eine optische Konzentrationsanlage, die aufgebaut ist, um mehrere Photovoltaikzellen bei hoher Konzentration auszuleuchten, dazu, eine geringe. Toleranz für Fehlausrichtung und Biegung aufzuweisen. Der Generator der vorliegenden Erfindung verfügt jedoch über eine optische Konzentrationsanlage mit einer relativ hohen Toleranz für Fehlausrichtung und Biegung, so dass ein kostengünstiges Abgabegerät verwendet werden kann. Die interne Generatoroptik, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist dazu ausgelegt, um auch die Anforderungen und die Herstellungstoleranzen, die der optischen Konzentrationsanlage und der Tragestruktur, die verwendet werden, um die Eingangsenergie der Anlage zuzuführen, auferlegt werden, so weit wie möglich zu locker, mit dem Ziel, die Gesamtkosten der Anlage zu senken. Die interne Struktur kann auf die Verwendung mit spezifischen Primärreflektoren abgestellt sein, um eine effiziente Ausleuchtung unabhängig von Größe und Form des Reflektors sicherzustellen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektrooptischer Generator zum Betrieb am Brennpunkt eines gekrümmten Kollektors oder Spiegels bereitgestellt, der bevorzugt parabolisch ist und bevorzugt 2 bis 20 kW Sonnenlicht in einen kompakten Fokalbereich konzentriert. Der Generator integriert bevorzugt eine Vielzahl von aktiv gekühlten Photovoltaikzellen, um aus konzentriertem Sonnenlicht Elektrizität zu produzieren. Im Betrieb ist ein Generator starr am Brennpunkt des bereitgestellten Kollektors oder Spiegels montiert, und diese starre Anordnung wird durch eine bereitgestellte, um zwei Achsen bewegliche Nachführeinrichtung auf die Sonne gerichtet. Mehrere kopierte Generatoren, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert sind, eignen sich gut zur Elektrizitätsproduktion in der Größenordnung für Versorgungsbetriebe.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Generator bevorzugt Mehrfachphotovoltaikzellen, die im Vergleich zu anderen Bauformen von Photovoltaikzellen einen relativ hohen Umwandlungswirkungsgrad aufweisen. Bei der vorliegenden Erfindung werden die Mehrfachphotovoltaikzellen bevorzugt bei Konzentrationen bis zu 1000mal den Solarpegel oder mehr ausgeleuchtet, um die Zellenkosten pro abgegebener Leistungseinheit stark zu reduzieren.
  • Ein bedeutender Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ihre Verwendung einer Feldlinse in Form einer ganzen Sphäre oder Kugel, die im Brennpunkt des Primärreflektors zentriert ist, der sie mit konzentriertem Sonnenlicht versorgt. Eine Kugellinse gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine im Wesentlichen gleichförmige und beständige Ausleuchtung der Photovoltaikzellen bereit, trotz unregelmäßiger und variabler Verteilung des in den Generator eintretenden Lichts. Gleichförmigkeit und Beständigkeit der Ausleuchtung sind bei den höchst bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die viele Photovoltaikzellen verwenden, die elektrisch mit einem Generator in Reihe geschaltet sind, optimal. Bei dieser Konfiguration wird der Wirkungsgrad in Frage gestellt, wenn diese Zellen nicht im Wesentlichen die gleiche Sonnenkrafteingabe empfangen und die gleiche elektrische Stromausgabe abgeben. Die relativ hohe Toleranz der vorliegenden Erfindung für unregelmäßige und variable Verteilung des Eingangslichts ermöglicht es dem Solargenerator, höchst effizient zu sein, auch wenn er von einem kostengünstigen Abgabegerät betrieben wird, das Durchbiegung, Windstößen, Fehlausrichtung und optischen Herstellungsfehlern ausgesetzt ist, die eine unregelmäßige und variable Eingangsausleuchtung verursachen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung befindet sich der Bereich der beständigen Ausleuchtung, die von der Kugellinse bereitgestellt wird, an dem konkaven Bild des Primärkollektors. Da sich dieses Bild, das von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, selbst bei mäßiger Fehlausrichtung im Verhältnis zum Generator nicht bewegt, ist die Ausleuchtung an einer konkaven Oberfläche, die innerhalb des Generators festgelegt ist und dem stabilisierten, Bild, der so genannten „Empfangsoberfläche”, entspricht, im Wesentlichen stabilisiert. Es ist wünschenswert, dass die Konfiguration von Photovoltaikzellen in dem Generator dem Bild entspricht, das von der Linse des Primärkollektors gebildet wird, der verwendet wird, um den Generator zu betreiben. Somit ist ein Generator gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt dem Primärkollektor, mit dem er verwendet wird, sowohl mit Bezug auf eine spezifische Form als auch auf das Fokalverhältnis des Kollektors, angepasst. Wenn z. B. der Primärkollektor, der Licht an den Generator abgibt, quadratisch ist, wird das konzentrierte Licht über die Empfangsoberfläche als das konkave Bild des quadratischen Kollektors verteilt, das durch die Kugellinse auf dieser Oberfläche gebildet wird.
  • Die höchst bevorzugte Form für die Linse, die in einem Generator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine Sphäre, weil eine sphärische Linse bei der vorliegenden Erfindung über einen Weitwinkel. abbildet und somit mit Primärkollektoren mit kurzer Brennweite verwendet werden kann. Zudem kann eine sphärische Linse mit kleinem Durchmesser und kurzer Brennweite bereitgestellt werden, die ein kleines Bild des Primärreflektors erstellt und eine hohe Konzentration erreicht. Eine sphärische Linse wird bevorzugt, weil sie kostengünstig herzustellen ist. Quarzglas mit niedrigem OH-Gehalt ist das höchst bevorzugte Material für die sphärische oder Kugellinse, weil es eine sehr geringe Lichtabsorption über das Solarspektrum aufweist. In der Praxis kann eine Linse aus einem derartigen Material eine hohe Durchsatzleistung erreichen. Basierend auf dem Brechungsindex von Siliziumdioxid über das Solarspektrum befindet sich das Bild, an dem das Licht stabilisiert ist, unter typischen Bedingungen (Ausleuchtung durch ein f/0,5-Paraboloid) bevorzugt auf einer annähernd sphärischen Oberfläche, die zur Kugellinse mit dem Radius „a” an einem Radius „b” konzentrisch ist, der gegeben ist durch b ~ 1,546a.(1)
  • Ein wesentlicher Aspekt einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ihre Verwendung als „Sekundärreflektoren”. Bei diesen Ausführungsformen werden die Zellen nicht direkt mit der Empfangsoberfläche zusammenfallend gesetzt, um stabilisiertes Licht zu empfangen, das von der Kugellinse bereitgestellt wird, sondern sind hinter die Empfangsoberfläche zurückgesetzt (oder versetzt), wobei sich Sekundärreflektoren zwischen der Empfangsoberfläche und den Photovoltaikzellen befinden. Der Zweck der Sekundärreflektoren ist es, den ausgeglichenen, durchgehenden Fluss konzentrierten Sonnenlichts an der Empfangsoberfläche in diskrete Bereiche umzulenken, die gerade eben die photovoltaisch aktiven Fläche der getrennten Zellen ausleuchten. Licht, das durch eine bestimmte Fläche der Empfangsoberfläche in einen Sekundärreflektor geht, erreicht die zurückgesetzte Photovoltaikzelle sowohl direkt als auch durch Reflexion von nach innen geneigten, verspiegelten Wänden, die sich von der Empfangsoberfläche nach unten bis zum Umfang der photovoltaisch aktiven Fläche einer Zelle erstrecken. Die Eingänge zu den Sekundärreflektoren sind derart konfiguriert, dass die Gruppe der Sekundärreflektoren die gesamte ausgeleuchtete Fläche der Empfangsoberfläche nahtlos auskachelt. Die zurückgesetzten und getrennten Photovoltaikzellen werden in einer konkaven Aufstellung hinter der Empfangsoberfläche gehalten. Der Betrieb der Sekundärreflektoren der vorliegenden Erfindung ist von dem nahezu senkrechten Einfall des Lichts abhängig, das von der Kugellinse über jedem Sekundärreflektor abgegeben wird.
  • Funktion und Betrieb der Sekundärreflektoren der vorliegenden Erfindung sind beide recht unterschiedlich von denen der optischen Trichter, die zuvor zusammen mit Photovoltaikzellen verwendet wurden. Typischerweise bestand die Funktion derartiger optischer Trichter darin, Licht zu vergleichmäßigen, das sowohl ungleichmäßig als auch variabel über einen breiten Einfallswinkelbereich am Trichtereingang verteilt und verstreut war.
  • Die Sekundärreflektoren der vorliegenden Erfindung stellen mehrere Vorteile bereit. Der erste Vorteil ist eine hoch effiziente Verwendung der Solarenergieeingabe, weil im Wesentlichen das gesamte ankommende Licht, das durch die Kugellinse stabilisiert wird, auf die photovoltaisch aktiven Flächen mehrerer flacher Zellen darin gelenkt wird. Ein zweiter Vorteil der Sekundärreflektoren liegt in der vereinfachten Herstellung der Zellenaufstellung. Die Zellen, die hinter einer konkaven Aufstellung von Sekundärreflektoren angeordnet sind, bleiben in einer konkaven Aufstellung, sind jedoch zur praktischen Nebeneinanderanordnung von Nebenschlussdioden und Verkabelung beabstandet. Ein Generator mit derartigen getrennten Zellen wird bevorzugt kostengünstig mit flachen Empfängeranordnungen, die jeweils eine Zelle tragen, massenproduziert und in den Formen und Größen angefertigt, die benötigt werden, um zu einer konkaven Aufstellung zu passen. Auf diese Art und Weise können normale flache Photovoltaikzellen auf normalen einseitigen gedruckten Schaltungen durch bewährte Elektronikherstellungsverfahren und mit minimalen Sonderanforderungen zusammengebaut werden. Ein dritter Vorteil der Sekundäreflektoren liegt im Wirkungsgrad der Zellenkühlung durch einen Zwangsdurchlauf von Kühlmittel. Eine effiziente Strömung zum Kühlen der örtlichen Bereiche mit hoher Wärmekonzentration hinter den Zellen wird durch die Verwendung der Zwischenräume zwischen diesen Bereichen (die sich aus der Verwendung der Sekundärreflektoren ergeben) als Abgassammler erzielt. Somit wird eine höhere Nettoleistungsabgabe erreicht, weil eine effiziente Kopplung zu einem höheren Umwandlungswirkungsgrad und zu einem geringeren Störverlust der Generatorausgabe zum Antreiben von Kühlpumpenmotoren führt.
  • Ein Generator kann gemäß der vorliegenden Erfindung für einen bestimmten parabolischen Reflektor basierend auf den folgenden Überlegungen ausgelegt werden.
  • Raytracing-Berechnungen für Generatoren gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit Primärreflektoren mit einem Fokalverhältnis f ≥ 0,5 verwendet werden, zeigen eine Intensität an der Empfangsoberfläche, die für Strahlenablenkungswinkel δ bis zu einem Maximum von δm ≈ a/2F, (2) praktisch unverändert bleiben, wobei „F” die Brennweite des primären Paraboloids ist. In der Praxis ergeben sich Strahlenablenkungen aus verschiedenen Ursachen, wie etwa der endlichen Winkelgröße der Sonne (δ = 0,004 rad am Rand) oder Fehler bei Herstellung und Ausrichtung.
  • Die Sonnenlichtkonzentration, die durch die Kugellinse bereitgestellt wird, ist vom Standort über der Empfangsoberfläche abhängig und nimmt sich vom Mittelpunkt entfernend zu. Zur Ausleuchtung durch ein Paraboloid der Brennweite F, wird die Konzentration C1 auf einer sphärischen Empfangsoberfläche mit dem Radius „b” an jedem Punkt in einem Winkel θ, der am Mittelpunkt der Kugellinse begrenzt ist, gegeben durch: C1 = ( F / b)2(1 + 2)(tan θ / 2)2 + (tan θ / 2)4)(3)
  • Als Beispiel einer Bauform und der Eigenschaften einer Kugellinse nehme man einen Generator, der dazu ausgelegt ist, mit einem kreisförmigen, primären, f/0,5-Reflektor zu funktionieren, d. h. mit einer Brennweite gleich 0,5 D, wobei „D” der Durchmesser des Reflektors ist Am Rand einer sphärischen Empfangsoberfläche beträgt der Randwinkel θc = 53,1° und die Konzentration C1 ist um einen Faktor 1,56 höher als in der Mitte, (θ = 0) aus Gleichung (3). Wenn angenommen wird, dass kombinierte Strahlenablenkungen von dem primären Reflektor bis zu ± 1° (± 0,017 rad) reichen, dann integriert der Generator bevorzugt eine Siliziumdioxid-Kugellinse mit einem Radius a = 0,035 F, aus Gleichung (2). Für b = 1,546a aus Gleichung (1) und D = 2 F ergibt sich, dass F/b = 18,5. Die Konzentration im Mittelpunkt der Empfangsoberfläche, wo θ = 0, ist einfach durch (F/b)2 = 342 gegeben und ist am Rand (θ = 53,1°) gleich 533, aus Gleichung (3).
  • Die obigen Überlegungen zeigen die Beziehung zwischen Konzentration und Fehlausrichtungstoleranz an der Empfangsoberfläche der Generatoren gemäß der vorliegenden Erfindung. Für einen Generator, der eine Kugellinse gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, hängt der Grenzwinkel für die Fehlausrichtung mit der mittleren Konzentration durch C1 ≈ 0,1/δm 2 zusammen. Somit stellt z. B. eine Siliziumdioxidkugel, die gewählt wird, um mit dem obigen Reflektor verwendet zu werden, um eine geometrische Konzentration C1center = 400 an der Empfangsoberflächenmitte und C1edge = 625 am Rand hervorzubringen, eine unabhängige Ausleuchtung mit einem Fehlausrichtungswinkels δ bis zu δm = 0,016 rad oder 0,9° bereit.
  • Wenn Sekundärreflektoren zusammen mit einer Kugellinse verwendet werden, wird randreflektiertes Licht zu demjenigen hinzugefügt, das direkt von der Kugellinse auf die photovoltaisch aktiven Flächen einfällt, und der durchschnittliche Pegel der Lichtkonzentration an der Zelle erhöht sich im Vergleich zu demjenigen an der Empfangsoberfläche. Der Durchschnitt der erhöhten Konzentration wird als sekundäre Konzentration, C2, bezeichnet. Die Gesamtkonzentration „C”, die von einer Zelle gesehen wird, ist gleich dem Produkt der geometrischen Konzentration für die Kugellinse C1 und die Sekundärreflektoren C2 und der gesamten optischen Durchsatzleistung η, somit C = ηC1C2. Ausführungsformen mit tiefen Sekundärreflektoren haben eine höhere Konzentration C2 und benötigen somit eine geringere Konzentration C1 für eine bestimmte Gesamtkonzentration C. Eine wichtige Konsequenz ist, dass die Generatoren mit tiefen Sekundärreflektoren und demnach höherer sekundärer Konzentration für eine bestimmte Gesamtkonzentration eine erhöhte Toleranz für Fehlausrichtung und andere Strahlenablenkungen aufweisen, da die Toleranz, die durch die Notwendigkeit einer guten Abbildung durch die Kugellinse, die durch die Gleichung (2) bestimmt wird, eingestellt wird, nur für die Kugelkonzentration C1 gilt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine bevorzugte Ausführungsform eines Generators mit einer Vielzahl von Photovoltaikzellen bereitgestellt werden, die in einer konkaven Aufstellung um die Empfangsoberfläche herum zusammengebaut sind. Die Zellen können einfach in Reihe geschaltet sein, um elektrische Leistung mit einem hohen Wirkungsgrad abzugeben, vorausgesetzt, dass alle Photovoltaikzellen individuell im Wesentlichen die gleiche optische Leistung empfangen und im Wesentlichen den gleichen Strom erzeugen. Der Fläche der Empfangsoberfläche, die mit jeder Photovoltaikzelle verknüpft ist, ist somit bevorzugt konfiguriert, um mit zunehmendem Radius in umgekehrter Proportion zu dem vorhersehbaren Anstieg der Konzentration kleiner zu werden, mit einem Radius, der durch die Gleichung (3) gegeben wird. Für spezifische Ausführungsformen der Erfindung, die für einen bestimmten Primärreflektor konfiguriert sind, wurden Kachelmuster für die Empfangsoberfläche für gleiche Leistung konstruiert, indem zunächst die Fläche des Primärreflektors (wie sie rechtwinklig zur Achse projiziert wird) in gleiche Flächen unterteilt wird. Das Bild auf der Empfangsoberfläche des derart unterteilten Primärreflektors wird dann ebenfalls in Flächen unterteilt, welche die gleiche Leistung empfangen. Z. B. für eine Ausführungsform der Erfindung, die mit einem quadratischen Primärreflektor zu verwenden ist, kann die Empfangsoberfläche gemäß dem Bild auf dieser Oberfläche unterteilt werden, das auf einem regelmäßigen quadratischen Gitter auf dem Primärreflektor projiziert wird.
  • Bei der ersten und einfachsten Ausführungsform der Erfindung wird eine Vielzahl individuell flacher Photovoltaikzellen in dem Generator direkt von konzentriertem Licht aus der Kugellinse ausgeleuchtet, und die Zellen werden in verschiedenen Formen und Größen angefertigt, um die gekrümmte Empfangsoberfläche bis zum Bildumfang auszukacheln. Bei einigen Ausführungsformen sind die flachen Zellen als Facetten eines Polyeders gestaltet, das die Empfangsoberfläche nähert. Bei einigen dieser Ausführungsformen sind die Zellen individuell konfiguriert, um identische Leistungsmengen zu empfangen, wie oben erläutert. Bei einigen Ausführungsformen weist die Empfangsoberfläche eine sphärische Krümmung auf, die zu der Kugellinse konzentrisch ist, und wobei der Radius gewählt wird, um das schärfste Bild des primären Kollektors für den Bereich der Charakteristik der Strahlenfehlausrichtung der Kollektoroptik hervorzubringen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Empfangsoberfläche nicht sphärisch sein, z. B. ein abgeplattetes Sphäroid, für eine bessere Abbildung des Primärreflektors auf der Empfangsoberfläche. Eine derartige verbesserte Abbildung ist wünschenswert, um die Ausgangsleistung eines Generators, der mit einem besonders tiefen primären Parabolreflektor zu verwenden ist, besser zu stabilisieren, oder um die Ausgangsleistung gegen besonders große Fehlausrichtungswinkel zu stabilisieren.
  • Eine Einschränkung für solche einfachen Ausführungsformen mit eng untergebrachten und direkt ausgeleuchteten Photovoltaikzellen, wie oben beschrieben, ist, dass ein wenig, Licht an den Zwischenräumen zwischen den Zellen und an den lichtunempfindlichen Randsammelschienen, die 10% der Zellenfläche oder mehr bedecken können, verloren geht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden derartige Einschränkungen in anderen Ausführungsformen durch die Verwendung von Sekundärreflektoren verbessert. Es werden unterschiedliche Tiefen von Sekundärreflektoren in verschiedenen Ausführungsformen verwendet, die Unterschiede bei der Zellentrennung, der zusätzlichen Lichtkonzentration C2 und der Variation der Konzentration über eine Zelle, die durch Randaufhellung verursacht wird, bereitstellen. Eine erhöhte Tiefe sorgt für eine größere Zellentrennung und erhöhte Lichtkonzentration und kann eine Ungleichförmigkeit der Ausleuchtung über eine Photovoltaikzelle, die durch Randaufhellung eingeführt wird, reduzieren. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen nehmen die Sekundärreflektoren die Form verspiegelter Rahmen um die Photovoltaikzelle herum an. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen nutzt die Reflexion an den Seitenwänden der Sekundärreflektoren die interne Totalreflexion, die dadurch erreicht wird, dass vor jeder Zelle ein prismatisches Fenster aus massivem Glas mit nach innen geneigten polierten Randwänden angeordnet wird. Die interne Totalreflexion vermeidet den geringen Energieverlust, welcher der externen Reflexion eigen ist, wie sie bei Sekundärreflektoren mit den oben beschriebenen verspiegelten Rahmen verwendet wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform (die als Typ Zwei bezeichnet wird), die Sekundärreflektoren verwendet, sind die Reflektoren flach, und die Zwischenräume, die sich zwischen angrenzenden aktiven Zellenflächen öffnen, sind relativ schmal. In diesem Fall ist die sekundäre Konzentration C2 typischerweise gering, C2 ~ 1,4, und die Ausleuchtung über jede beliebige Photovoltaikzelle ist durch starke Randaufhellung gekennzeichnet. Man geht nicht davon aus, dass Joulesche Verluste gegenüber der ungleichförmigen Ausleuchtung bedeutend ansteigen, weil die erhöhten Ströme in den schmalen stromführenden Spuren über die Zelle in der Nähe der hellen Ränder nur über kurze Wege an den hellen Rindern fließen. Höhere Temperaturen aus der Aufhellung an den Rändern entlang werden bei einigen Ausführungsformen durch seitliche Verteilung in ein wärmeleitendes Zellensubstrat minimiert, um einen reduzierten Umwandlungswirkungsgrad und eine verkürzte Lebensdauer durch Überhitzen zu vermeiden.
  • Bei einer spezifischen Ausführungsform des Typs Zwei zur Verwendung mit einem kreisförmigen Primärreflektor werden die Sekundärreflektoren als prismatische Fenster umgesetzt und Gruppen von Zellen werden elektrisch parallel geschaltet, um die Fehlausrichtungstoleranz zu verbessern. Die Gruppen von Zellen sind radial orientiert und axialsymmetrisch, so dass alle Gruppen die gleiche Leistung erbringen und den gleichen Strom abgeben. Nebenschlussdioden für die radialen Gruppen werden um den Umfang der Empfangsoberfläche herum gesetzt. Für eine bevorzugte Ausführungsform wird ein passives Wärmeübertragungsverfahren bevorzugt. Abwärme von vielen Photovoltaikzellen wird durch ein keramisches Substratmaterial in eine Fluidkammer dahinter geleitet. Ein großes Wärmerohr bzw. ein Thermosiphon kann verwendet werden, um die Zellen durch Sieden in einer Fluidkammer abzukühlen, was dazu führt, dass Dampf an gerippten Rohren aufsteigt, um durch natürliche Konvektion abgekühlt zu wenden. Das wieder kondensierte Fluid kehrt durch die Schwerkraft in die Kammer zurück. Bei einer weiter entwickelten Umsetzung sind die Photovoltaikzellen und Nebenschlussdioden an eine Keramikmuschel angeschweißt und durch eine konkave gedruckte Schaltung aus Kupfer auf der Keramikmuschel angeschlossen. Für eine andere Ausführungsform, die einfacher herzustellen ist, werden die Zellen an individuelle flache Keramiksubstrate, die in einem Gerüst montiert sind, angeschweißt und die Kühlung erfolgt durch ein aktiv gepumptes flüssiges Kühlmittel.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform (als Typ Drei bezeichnet) eines Generators zur Verwendung am Brennpunkt eines quadratischen Primärreflektors umfasst eine Kugellinse und verwendet tiefe, annähernd quadratische Sekundärreflektoren an der Empfangsoberfläche. Diese stellen relativ große Zwischenräume zwischen Zellen bereit und werden mit einer Tiefe gewählt insbesondere, um Ungleichförmigkeiten bei der Ausleuchtung über einzelne Photovoltaikzellen hinweg zu minimieren. Die höchste Gleichfförmigkeit wird für die quadratischen Zellen erreicht, wenn die vier Randspiegel eines Sekundärreflektors mit einer Tiefe und einem Neigungswinkel gewählt werden, die orientiert sind, so dass jeder Spiegel Randlicht gerade so weit wie die Mitte der Zelle reflektiert. Das Ergebnis ist eine relativ gleichförmige Ausleuchtung, mit einer Standardabweichung σ1/<I> = 0,12, praktisch ohne Randaufhellung und mit einer bedeutenden sekundären Konzentration, C2 ~ 2,6. Die Winkeltoleranz δm für eine Fehlausrichtung aus der obigen Analyse liegt bei etwa 1 Grad, selbst für eine Konzentration bis zu 1000.
  • Bei einer bevorzugten Umsetzung dieses höchst bevorzugten Generators werden die Sekundärreflektoren als versilberte Kopien angefertigt und sind in einer flüssiggekühlten, muschelförmigen Rahmenstruktur montiert, die von der Zellenanordnung getrennt ist. Jede Photovoltaikzelle ist auf einer kleinen Empfängeranordnung mit einer oder mehreren vorstehenden Nebenschlussdioden und eingekerbten Seiten montiert, um ein sattes Anliegen zu ermöglichen. Die Zellen und ihre Empfängeranordnungen werden in der gleichen allgemeinen Form jedoch in verschiedenen Größen angefertigt, um auf einer konkaven Montageoberfläche zusammen zu passen, die jede Zelle direkt hinter dem Sekundärreflektor anordnet, der diese ausleuchtet. Die Empfängeranordnungen werden über Schrauben und Wärmeleitpaste an der konkaven Montageoberfläche angebracht, welche die Form einer durchgehend gekühlten Kupfermuschel annimmt. Die Empfängeranordnungen passen in einem Schachbrettmuster zusammen, wobei nur sehr kurze elektrische Anschlüsse zwischen angrenzenden gegenüberliegenden Ecken von Empfängern benötigt werden, um die serielle Kette zu vervollständigen. Jede Empfängeranordnung weist Ausgänge auf, die an allen vier Ecken zur Verfügung stehen, um diese kurzen Anschlüsse zu ermöglichen.
  • Für diese Umsetzung wird eine aktive Kühlung bevorzugt. Die konvexe Seite der Kupfermuschel wird durch Flüssigkeit gekühlt, die zu einem von dem Generator entfernten Kühler gepumpt wird, wo die Flüssigkeit durch Zwangskonvektion luftgekühlt wird. Die flüssiggekühlte, konvexe Seite der Kupfermuschel ist in örtlichen Bereichen gegenüber jeder Zelle mit Stiften oder Rippen nach Art einer Wärmesenke versehen, die kurz und dicht untergebracht sind, um die Mantelfläche zu vergrößern. In diesen Bereichen wird die Kühlflüssigkeit für eine verbesserte Wärmeübertragung durch Strahlen in die Zwischenräume oder Kanäle zwischen den Kupferstiften gepresst. Die Strömung erfordert auf Grund der fertigen Ausweichwege, die zur Seite dieser örtlichen Stift-/Rippenbereiche bereitgestellt werden, einen niedrigen Druck. Daraufhin ist der Störleistungsverlust für die Kühlmittelpumpen und Gebläse dieser aktiven Kühlanlage gering.
  • Bei einer vierten alternativen Ausführungsformart, die viel Flexibilität bei der Wahl der Konzentration gibt, können prismatische Fenster in der Tiefe stark ausgedehnt werden, um Lichtleiter zu bilden. Derartige Lichtleiter sind bevorzugt mit unterschiedlich großen Eingangsöffnungen konfiguriert, um die gleiche Leistung zu empfangen, und mit Ausgangsöffnungen, die zu Flächen gleicher Form und Größe gebracht werden, um identische rechteckige oder quadratische Photovoltaikzellen auszuleuchten. Derartige Lichtleiter weisen verwundene Seiten auf. Bei dieser alternativen Ausführungsform verursachen mehrere Reflexionen in dem Lichtleiter, dass das Ausgangslicht wieder vergleichmäßigt wird und gleichförmig wird, und der sekundäre Konzentrationsfaktor ist ein freier Parameter, der durch die Wahl der Lichtleitergeometrie angepasst werden kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform, welche den Standort der Kugellinse eines Generators in der Position an dem Brennpunkt eines parabolischen Reflektors zeigt.
  • 2 eine Querschnittsansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform eines Generators gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer gezeigten Kühlmittelstruktur zeigt.
  • 3 ein schematisches Diagramm, das den Weg von Sonnenlichtstrahlen abbildet, die durch eine Parabolschüssel auf einen Generator gelenkt werden.
  • 4a ein schematisches Diagramm, das Strahlen in der Nähe des Brennpunkts der Schüssel abbildet, bevor der Generator installiert wird.
  • 4b ein schematisches Diagramm, das die gleichen Strahlen nach dem Durchgang durch die Kugellinse abbildet.
  • 5a ein schematisches Diagramm, das angrenzende flache Photovoltaikzellen abbildet, die direkt an der Empfangsoberfläche einer Kugellinse eines Generators gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sind.
  • 5b ein schematisches Diagramm, das Photovoltaikzellen abbildet, die hinter drei Sekundärreflektoren eine Einheit tief eingesetzt sind, die um die Empfangsoberfläche einer Kugellinse eines Generators gemäß der vorliegenden Erfindung herum konfiguriert sind.
  • 5c ein schematisches Diagramm, das Photovoltaikzellen abbildet, die hinter drei Sekundärreflektoren zwei Einheiten tief eingesetzt sind, die um die Empfangsoberfläche einer Kugellinse eines Generators gemäß der vorliegenden Erfindung herum konfiguriert sind.
  • 5d ein schematisches Diagramm, das Photovoltaikzellen abbildet, die hinter drei Sekundärreflektoren drei Einheiten tief eingesetzt sind, die um die Empfangsoberfläche einer Kugellinse eines Generators gemäß der vorliegenden Erfindung herum konfiguriert sind.
  • 5e ein schematisches Diagramm, das Photovoltaikzellen abbildet, die hinter drei Sekundärreflektoren vier Einheiten tief eingesetzt sind, die um die Empfangsoberfläche einer Kugellinse eines Generators gemäß der vorliegenden Erfindung herum konfiguriert sind.
  • 6a ein schematisches Diagramm, das die Intensität der Ausleuchtung über eine der Zellen nach 5a abbildet.
  • 6b ein schematisches Diagramm, das die Intensität der Ausleuchtung über eine der Zellen nach 5b abbildet.
  • 6c ein schematisches Diagramm, das die Intensität der Ausleuchtung über eine der Zellen nach 5c abbildet.
  • 6d ein schematisches Diagramm, das die Intensität der Ausleuchtung über eine der Zellen nach 5d abbildet.
  • 6e ein schematisches Diagramm, das die Intensität der Ausleuchtung über eine der Zellen nach 5e abbildet.
  • 7 eine grafische Darstellung, welche die normierte Standardabweichung der Zellenausleuchtung als Funktion der Konzentration für Sekundarreflektoren mit einer anderen Tiefe als in 5a, 5b, 5c, 5d und 5e und 6a, 6b, 6c, 6d und 6e abgebildet abbildet.
  • 8 ein perspektivisches Diagramm, das die entsprechende Unterteilung der Eingangspupille und der Empfangsoberfläche abbildet.
  • 9a ein schematisches Diagramm, das eine kreisförmige Eingangspupille abbildet, die durch Ringe und Speichen in gleiche Flächen unterteilt wird.
  • 9b eine perspektivische Ansicht, welche die Empfangsoberfläche abbildet, die der Eingangspupille aus 9a entspricht, wobei die trapezförmigen Zellen die gleiche Leistung empfangen.
  • 10a eine Draufsicht einer quadratischen Oberfläche, die in vier gleiche quadratische Flächen unterteilt ist.
  • 10b eine perspektivische Ansicht, die eine Kugellinse und Empfangsoberfläche für einen Generator abbildet, der mit einem quadratischen Primärreflektor zu verwenden ist und in annähernd quadratische Flächen gleicher Leistung durch die Konstruktion aus 8 unterteilt ist.
  • 11 ein geometrisches Diagramm, das Strahlen abbildet, die von einem parabolischen Spiegel in einen Generator gemäß der vorliegenden Erfindung reflektiert werden.
  • 12a einen Querschnitt, der axiale Strahlen zeigt, die durch einen Sekundarreflektor in Form eines dünnen prismatischen Fensters gehen.
  • 12b einen Querschnitt, der außeraxiale Strahlen zeigt, die durch einen Sekundärreflektor in Form eines dünnen prismatischen Fensters gehen.
  • 13a ein schematisches Diagramm, das Ringe aus dünnen prismatischen Fenstern abbildet, wobei die Intensität an den Ausgangsseiten durch Raytracing für eine axiale Ausleuchtung berechnet wird.
  • 13b ein schematisches Diagramm, das Ringe aus dünnen prismatischen Fenstern abbildet, wobei die Intensität an den Ausgangsseiten durch Raytracing für eine außeraxiale Ausleuchtung berechnet wird.
  • 14 eine Querschnittsansicht, die Einzelheiten einer Anordnung mit dünnen prismatischen Fenstern, Photovoltaikzellen und einer monolithischen Struktur, welche die Photovoltaikzellen trägt, zeigt.
  • 15 eine Querschnittsansicht, die Einzelheiten der Verkabelung von Konzentratorzellen unter Verwendung einer einzigen gedruckten Schaltung zeigt.
  • 16a ein Strahlendiagramm, das die Strahlenwege bis zu einer Empfangsoberfläche ohne Fehlausrichtung abbildet.
  • 16b ein Strahlendiagramm, das die Strahlenwege bis zu einer Empfangsoberfläche mit einem geringen Fehlausrichtungswinkel abbildet.
  • 16c ein Strahlendiagramm, das die Strahlenwege bis zu einer Empfangsoberfläche mit einem größeren Fehlausrichtungswinkel als dem in 16b gezeigten Fehlausrichtungswinkel abbildet.
  • 16d ein Strahlendiagramm, das die Strahlenwege bis zu einer Empfangsoberfläche mit einem größeren Fehlausrichtungswinkel als dem in 16c gezeigten Fehlausrichtungswinkel abbildet.
  • 16e ein Strahlendiagramm, das die Strahlenwege bis zu einer Empfangsoberfläche mit einem größeren Fehlausrichtungswinkel als dem in 16d gezeigten Fehlausrichtungswinkel abbildet.
  • 16f ein Strahlendiagramm, das die Strahlenwege bis zu einer Empfangsoberfläche mit einem größeren Fehlausrichtungswinkel als dem in 16e gezeigten Fehlausrichtungswinkel abbildet.
  • 16g ein Strahlendiagramm, das die Strahlenwege bis zu einer Empfangsoberfläche mit einem größeren Fehlausrichtungswinkel als dem in 16f gezeigten Fehlausrichtungswinkel abbildet.
  • 16h ein Strahlendiagramm, das die Strahlenwege bis zu einer Empfangsoberfläche mit einem größeren Fehlausrichtungswinkel als dem in 16g gezeigten Fehlausrichtungswinkel abbildet.
  • 17 ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration für die elektrische Zusammenschaltung von Photovoltaikzellen abbildet, um die Toleranz für eine Fehlausrichtung des Reflektors im Verhältnis zur Sonne zu verbessern.
  • 18a ein Diagramm, das photovoltaische Ströme in einzelnen Photovoltaikzellen und parallelen Gruppen von Photovoltaikzellen ohne Fehlausrichtung zeigt.
  • 18b ein Diagramm, das photovoltaische Ströme in einzelnen Photovoltaikzellen und parallelen Gruppen von Photovoltaikzellen mit einem geringen Fehlausrichtungswinkel zeigt.
  • 18c ein Diagramm, das photovoltaische Ströme in einzelnen Photovoltaikzellen und parallelen Gruppen von Photovoltaikzellen zeigt, wenn sich der Fehlausrichtungswinkel im Vergleich zu dem in 18b gezeigten erhöht.
  • 18d ein Diagramm, das photovoltaische Ströme in einzelnen Photovoltaikzellen und parallelen Gruppen von Photovoltaikzellen zeigt, wenn sich der Fehlausrichtungswinkel im Vergleich zu dem in 18c gezeigten erhöht.
  • 19 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform nach 2, die eine bevorzugte Anordnung und Konfiguration von Photovoltaikzellen zeigt.
  • 20 eine Draufsicht einer trapezförmigen Photovoltaikzelle, die eine bevorzugte Anordnung von Umfangszellen-Sammelschienen und Gitterdrähten über die photovoltaisch aktive Flache hinweg zeigt.
  • 21 eine Querschnittsansicht, die Sekundärreflektoren innerhalb der bevorzugten Ausführungsform aus 5d und 6d mit Strahlen, die eine gleichförmige Ausleuchtung der Photovoltaikzellen zeigen, und eine zusammengesetzte Struktur, welche die Photovoltaikzellen trägt, zeigt.
  • 22 eine perspektivische Ansicht, die nur die Optik, Zellen und Nebenschlussdioden eines Generators nach 21 zeigt.
  • 23 eine Draufsicht einer bevorzugten Gruppe von Sekundärreflektoren.
  • 24 eine Draufsicht eines der Sekundärreflektoren aus 23, wobei die Ausleuchtungsintensität, welche die Basis des Reflektors verlässt, durch die Punktdichte dargestellt wird.
  • 25 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die den Generator mit einer Kugellinse im Gebrauch am Brennpunkt eines parabolischen Reflektors und eine Kühlmittelstruktur zeigt.
  • 26 eine perspektivische Ansicht, welche den Generator aus 25 beschreibt, wobei einige Bauteile der Übersichtlichkeit halber im Schnitt gezeigt sind.
  • 27 eine perspektivische Ansicht eines montierten Sekundärreflektors mit einer aufgeschnittenen Ansicht eines Teils der tragenden gekühlten Rahmenstruktur.
  • 28 eine perspektivische Ansicht einer vollständigen Rahmenstruktur, um Sekundärreflektoren zu tragen.
  • 29 eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Aufstellung von 80 Empfängeranordnungen zeigt.
  • 30 eine perspektivische Ansicht, die eine Reihe von acht Sekundärreflektoren und acht Empfängeranordnungen in einer Reihe über die gesamte Breite der Empfangsoberfläche zeigt.
  • 31 eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Empfängeranordnung.
  • 32 eine auseinander gezogene Ansicht einer Empfängeranordnung.
  • 33 ein Querschnitt, der die Einzelheiten einer Halterung von Empfängeranordnungen zeigt.
  • 34 eine perspektivische Ansicht, die Einzelheiten von Sekundärreflektoren Empfängeranordnungen zeigt.
  • 35 ein elektrisches Schaltbild, das die Reihenschaltung von 80 Empfängeranordnungen zeigt.
  • 36 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts, der einige Facetten einer monolithischen Kupfermuschel zeigt, um Empfängeranordnungen zu tragen.
  • 37a ein schematisches Diagramm, das die Geometrie der Reflexion durch dünne Sekundärreflektoren für eine axiale Ausleuchtung abbildet.
  • 37b ein schematisches Diagramm, das die Geometrie der Reflexion durch dünne Sekundärreflektoren für eine außeraxiale Ausleuchtung abbildet.
  • 37c ein schematisches Diagramm, das die Geometrie der Reflexion durch dicke Sekundarreflektoren für eine axiale Ausleuchtung abbildet.
  • 37d ein schematisches Diagramm, das die Geometrie der Reflexion durch dicke Sekundärreflektoren für eine außeraxiale Ausleuchtung abbildet.
  • 38a ein schematisches Diagramm, das eine alternative Ausführungsform mit Lichtleitern mit verwundenen Seiten an der Empfangsoberfläche für eine axiale Ausleuchtung abbildet.
  • 38b ein schematisches Diagramm, das eine alternative Ausführungsform mit Lichtleitern mit verwundenen Seiten an der Empfangsoberfläche gemäß der in 38a gezeigten abbildet, jedoch für eine außeraxiale Ausleuchtung.
  • 39a eine Grafik, welche die Absorption von elektrisch geschmolzenem Quarz über das Solarspektrum zeigt.
  • 39b eine Grafik, welche die relative Intensität der Solarstrahlung über das Solarspektrum zeigt, das der Grafik aus 39a entspricht.
  • 40 eine Blende in Form gelenkiger Klappen, um die Eingangsoberfläche der Kugellinse zu schützen.
  • 41a einen Teil einer auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht einer konkaven, mehrzelligen Empfängeranordnung, die einen monolithischen, facettierten, polyedrischen Keramikträger zeigt.
  • 41b einen Teil einer auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht einer konkaven, mehrzelligen Empfängeranordnung, die eine gedruckte Schaltungsschicht aus Kupfer zeigt.
  • 41c einen Teil einer auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht einer konkaven, mehrzelligen Empfängeranordnung, die Photovoltaikzellen und Nebenschlussdioden zeigt.
  • 41d einen Teil einer auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht einer konkaven, mehrzelligen Empfängeranordnung, die prismatische Fenster zeigt.
  • 42 eine perspektivische Ansicht, die Einzelheiten der gedruckten Schaltungsschicht aus Kupfer aus 41b zeigt und die elektrischen Anschlüsse bereitstellt, die schematisch in 17 gezeigt werden.
  • 43 eine Teildraufsicht der gedruckten Schaltung aus 15, die schematisch die Position von Photovoltaikzellen, Nebenschlussdioden und Zusammenschaltungen zeigt.
  • 44 ein Strahlendiagramm, das ein Detail der Reflexion an dem Primärreflektor zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Generators 4 in Betrieb am Brennpunkt eines parabolischen Reflektors 1. Sonnenlicht dringt in die Anlage als Strahlung oder Strahlen 2 ein, die von dem Spiegel 1 reflektiert wird bzw. werden. Der Spiegel 1 ist derart gestaltet, dass reflektierte Solarstrahlung oder -strahlen 3 auf den Brennpunkt 28 gelenkt wird bzw. werden, wo sich ein Generator 4 befindet. Im Betrieb ist ein Generator 4 zur Verwendung an dem Brennpunkt 28 eines bevorzugt parabolischen Reflektors oder Spiegels 1, dessen Achse durch eine um zwei Achsen bewegliche Nachführeinrichtung auf die Sonne gerichtet ist, ausgelegt.
  • Ein Spiegel 1, der dazu gedacht ist, einem erfindungsgemäßen Generator Sonnenkraft zuzuführen, weist bevorzugt eine im Wesentlichen parabolische reflektierende Oberfläche auf, die möglichst viel Sonnenlicht reflektiert und es am Standort des Generators 4 konzentriert. Ein parabolisch gestalteter Reflektor 1 wird bevorzugt, weil er parallele ankommende Strahlen 2 auf einen Brennpunkt 28 reflektiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei welcher der Reflektor 1 im Wesentlichen parabolisch ist, kann die Abweichung der Form der reflektierenden Oberfläche von der gewünschten parabolischen Form durch Oberflächenneigungsfehler in der reflektierenden Oberfläche des primären parabolischen Spiegels 1 gekennzeichnet sein, und die Auslegung der vorliegenden Erfindung sieht eine gewisse Toleranz für solche Fehler vor. Dies ist ein wünschenswertes Merkmal, um die Kostenwirksamkeit bei Herstellung und Betrieb zu erreichen.
  • Einzelheiten eines Generators 4, der am Brennpunkt 28 des parabolischen Spiegels 1 verwendet wird, werden in der Querschnittsansicht aus 2 gezeigt. Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist der im Wesentlichen sphärisch symmetrische Generator 4, der eine Kugelfeldlinse 5 und eine konzentrisch befindliche, konkave, schalenförmige und sphärisch gekrümmte Empfangsoberfläche 9 umfasst, um welche die Konzentrator-Photovoltaikzellen 15, wie in 2 gezeigt, eingerichtet sind. Eine Vielzahl von Photovoltaikzellen 15 wird verwendet, um Elektrizität direkt aus der Solarstrahlung zu erzeugen. Diese Zellen 15 sind bevorzugt Konzentrator-Photovoltaikzellen 15, die dazu ausgelegt sind, um in einer Umgebung aus konzentrierter Solarstrahlung zu funktionieren. Die Vielzahl von Photovoltaikzellen 15 ist elektrisch zusammengeschaltet, um die elektrische Leistung, die von jeder Zelle 15 produziert wird, in eine Gesamtelektrizitätsausgabe aus dem Generator 4 zu kombinieren. Die Zellen 15 können individuell flach sein, was die Verwendung von Konzentrator-Photovoltaikzellen 15 ermöglicht, die durch herkömmliche Verfahren hergestellt werden. Mit Bezug auf 2 wird die Kugelfeldlinse 5 im Querschnitt gezeigt. Der Mittelpunkt der Kugellinse 5 befindet sich bevorzugt am Brennpunkt 28 des parabolischen Reflektors 1 oder sehr nahe am Brennpunkt 28. Die bevorzugte Form für die Kugellinse 5 ist eine ganze Sphäre, weil sie nicht nur eine ausgezeichnete Weitwinkelabbildung des primären Kollektors 1 bereitstellt, sondern auch kostengünstig herzustellen ist. Im Betrieb gehen die reflektierten Strahlen 3 durch die Kugellinse 5 und können durch den Effekt der optischen Linse 5 gebrochen werden, je nach dem Winkel der reflektierten Strahlen 3 im Verhältnis zur Linse 5, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Das konzentrierte Sonnenlicht, das durch die Kugellinse 5 geht, das in 2 durch die Bezugszeichen 6 und 7 angegeben wird, bildet ein Bild des primären parabolischen Reflektors 1 auf einer konkaven, sphärischen, muschelförmigen Empfangsoberfläche 9, die sich in einer Position befindet, die zu der Kugellinse 5 konzentrisch ist.
  • Ein bedeutender Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass die Intensität der Solarstrahlung 6 und 7 ausgeglichen über die Empfangsoberfläche 9 verteilt ist und gegen eine Fehlausrichtung der Nachführeinrichtung und Oberflächenneigungsfehler in der reflektierenden Oberfläche des primären parabolischen Spiegels 1 stabilisiert ist. Die Kugellinse 5 dient dazu, die Stabilisierung der Lichtintensität über die Oberfläche 9 gegen Richtfehler der Nachführeinrichtung zu erreichen. Selbst wenn die Nachführeinrichtung nicht direkt auf die Sonne gerichtet ist, bleibt die Lichtintensität an der Oberfläche 9 über einen bedeutenden Bereich von Richtfehlern relativ unverändert. Zudem kann die Kugellinse 5 als durchlässige optische Öffnung für einen bevorzugt hermetisch verschlossenen Hohlraum 8 dienen. Der verschlossene Hohlraum 8 schützt die Fenster 11 und die Solarzellen 15 an der Empfangsoberfläche 9.
  • Die optische Bauform und die Eigenschaften der Kugellinse 5, um die Intensität des Lichts 3 aus dem parabolischen Reflektor 1 an der konkaven Empfangsoberfläche 9 ausgeglichen zu verteilen und zu stabilisieren, sind in 3, 4a und 4b abgebildet. 3 ist ein Diagramm der Strahlen 3, die von einem groben parabolischen Spiegel 1 auf den Generator 4 reflektiert werden. Die Strahlen 3 werden in einem Querschnitt gezeigt, wie sie von sechs Punkten reflektiert werden, die gleichmäßig an einer Diagonale über den Primärreflektor 1 entlang beabstandet sind.
  • Die Wirkung der Linse 5 ist in der ausführlichen Darstellung des in 4a und 4b gezeigten Brennbereichs abgebildet. Die Strahlen 3 von einem Paraboloid 1 werden in 4a gezeigt, wie sie in Abwesenheit einer Linse 5 direkt auf eine flache Fokaloberfläche 48 fallen würden. In diesem Fall ist die Intensität an einem beliebigen Punkt stark abhängig sowohl von ihrer Position in der Ebene 40 als auch von dem Fehlausrichtungswinkel des Reflektors 1 im Verhältnis zu der Richtung der Sonne. Die Strahlen 3, die von dem Paraboloid 1 reflektiert werden, die parallel zur Paraboloidachse einfielen, werden mit dünnen Strichen 3 gezeigt. Sie treffen in einem Punkt am Brennpunkt 28 des Paraboloids 1 aufeinander. Die Strahlen 41, die von dem Paraboloid 1 aus einer außeraxialen Quelle reflektiert werden, werden als dicke gestrichelte Linien 41 gezeigt. Diese Strahlen 41 sind gegenüber dem zentralen Brennpunkt 28 versetzt und werden durch chromatische Aberration radiusmäßig bis zum Punkt 29 verstreut.
  • Das in 4b abgebildete Detail zeigt den Weg der gleichen axialen Strahlen 3 und außeraxialen Strahlen 41, wenn die sphärische Kugelfeldlinse 5 in den parabolischen Brennpunkt 28 eingeführt und darauf zentriert wird. Die Linse 5 wird gewählt, um den gleichen Durchmesser aufzuweisen wie die flache axialsymmetrische Scheibe 40, die sich bis zum Radius 29 erstreckt, der benötigt wird, um alle Strahlen 41 aus 4a einzubeziehen. Die axialen Strahlen 3 treten in die Linse 5 mit einem normalen Einfall ein und aus und sind nicht umgelenkt, d. h. die Strahlen 3 werden nicht merklich durch die Linse 5 gebrochen und werden ausgeglichen über die konkave Empfangsoberfläche verteilt. Da die Empfangsoberfläche 9 sich annähernd mit dem konkaven Bild des primären Paraboloiden 1, der durch die Linse 5 gebildet wird, zusammenfallend befinden, werden die außeraxialen Strahlen 41 durch die Linse 5 gebrochen und treffen auf die Empfangsoberfläche 9 nahezu in den gleichen Positionen wie die axialen Strahlen 3. Somit besteht der Effekt der Linse 5 darin, die außeraxialen Strahlen 41 zu lenken, um die gleiche ausgeglichene Verteilung über die konkave Empfangsoberfläche 9 wie die axialen Strahlen 3 beizubehalten. Die Intensität an einem beliebigen Punkt ist weitgehend von der Richtung des ankommenden kollimierten Lichts 3 und 41 oder von Verformungen in der Primärreflektoroberfläche 1 unabhängig. Solche Verformungen lenken den Winkel der reflektierten Strahlen 3 ab, bewegen jedoch den Reflexionspunkt auf dem Primärreflektor 1 nicht merklich. Funktion und Betrieb der Kugellinse 5 werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
  • Es ist wünschenswert, dass die Solarstrahlung, die auf die Photovoltaikzellen 15 trift, im Wesentlichen stabilisiert wird und über einen Bereich von Richtfehlern im Verhältnis zu der ankommenden Solarstrahlung konstant ist, um eine Reduzierung der Ausleuchtung einer der Zellen 15 zu vermeiden, was die Erzeugung von Elektrizität unterbrechen oder reduzieren könnte. Die hier beschriebenen diversen Ausführungsformen eines Generators 4 umfassen alle eine Kugellinse 5 und mehrere Konzentratorzellen 15, die um eine konkave Oberfläche aus stabilisiertem Licht 9 herum getragen werden. Die Ausführungsformen unterscheiden sich hauptsächlich durch den Modus der optischen Kopplung der Konzentratorzellen 15 mit dem konzentrierten Licht 6 und 7 an der gekrümmten Oberfläche 9, unterscheiden sich jedoch auch durch das Kachelmuster der Zellen 15 um die Empfangsoberfläche 9 herum und durch die Strategien, die zum Kombinieren der photovoltaischen Ströme aus individuellen Photovoltaikzellen 15 verwendet werden, um eine vollständige Ausgabe aus dem Generator 4 zu produzieren.
  • Die verschiedenen Verfahren der optischen Kopplung konzentrierten Lichts aus einer Kugellinse 5 in die Zellen 15 und die Begründung für ihre Unterschiede werden durch die schematischen Diagramme in 5a, 5b, 5c, 5d und 5e abgebildet. Alle fünf Diagramme zeigen konzentriertes Licht aus der gleichen beispielhaften Fläche 115 an der Empfangsoberfläche, wie es in drei quadratische Zellen gekoppelt wird, jedoch auf verschiedene Art und Weise und in verschieden große Zellen. 5a zeigt die einfachste Kopplung, bei der drei quadratische Zellen 15 direkt angeordnet sind, um eine bestimmte Räche 115 auf der Empfangsoberfläche 9 zu bedecken. Die Zellen werden so eng wie möglich zusammen angeordnet, um für die photovoltaische Umwandlung den größtmöglichen Anteil des konzentrierten Lichts, das auf jeden der drei Abschnitte 47 fällt, welche die bezeichnete Fläche 115 der Empfangsoberfläche bilden, anzunehmen. Das Ausleuchtungsmuster einer der Flächen 47 wird durch 6a abgebildet, in der die Dichte von Zufallspunkten zu Intensität oder Konzentration proportional ist. In diesem Fall ist die Dichte gleichförmig. Die nachstehende Ausführungsform Eins umfasst einen Generator, der solche direkt ausgeleuchteten Zellen verwendet.
  • Eine Alternative zum Koppeln von Licht in Photovoltaikzellen wird in 5b, 5c, 5d und 5e abgebildet. Hier erreicht Licht von der Empfangsoberfläche kleinere quadratische Zellen, die gegenüber der Empfangsoberfläche zurückgesetzt sind, sowohl direkt als auch durch Reflexion von quadratischen Sekundärreflektoren 45 in Form von verspiegelten Rahmen, die jede Zelle umgeben. Alle diese Figuren sind im gleichen Maßstab wie 5a gezeichnet und zeigen Licht, das durch den gleichen Bereich 115 der Empfangsoberfläche in den Sekundärreflektoren 45 geht, alle mit gleich großen Eingangsflächen 47 jedoch unterschiedlichen Tiefen, und Zuführungszellen, die immer kleiner werden und deren Konzentration immer mehr zunimmt. 6b, 6c, 6d und 6e sind Draufsichten, die den verspiegelten Rahmen 45 eines einzigen Sekundärreflektors und die Intensität der Ausleuchtung über den Ausgang 46 des Reflektors gemäß den verschiedenen Konfigurationen von Sekundärreflektoren, die jeweils in 5b, 5c, 5d und 5e verwendet werden, abbilden. In jedem Fall ist die Dichte der Zufallspunkte proportional zur Intensität oder Konzentration der Solarstrahlung. Die Photovoltaikzellen 15 befinden sich bevorzugt unmittelbar hinter den Sekundärreflektorausgängen 46.
  • Bei diesen Beispielen erreicht ein mittlerer Teil des eintretenden Lichts 47 die photovoltaisch aktive Fläche einer Zelle 15 direkt, und der Rest erreicht sie über die geneigten reflektierenden Oberflächen um die Ränder der Zelle herum. Die reflektierenden Oberflächen eines Sekundärreflektors können die Form von Stirnflächenspiegeln annehmen, die als verspiegelter Rahmen 45, wie in 5b, 5c, 5d und 5e abgebildet, angeordnet sind. Alternativ kann ein Sekundärreflektor die Form eines prismatischen Fensters annehmen, in dem Licht zuerst in die Fenstereingangsseite 47 eintritt, die sich an oder in der Nähe der Empfangsoberfläche befindet. Das Randlicht wird im letzteren Fall total intern an den nach innen geneigten polierten Rändern des Prismas reflektiert, um durch die Seite 46 auf eine Zelle 15 auszutreten. Unabhängig davon, ob die Reflexion intern oder extern ist, besteht der Effekt der Sekundärreflektoren sowohl darin, die durchschnittliche Konzentration des Lichts auf der aktiven Fläche der Zellen 15 zu erhöhen, als auch darin, Platz für elektrische Anschlüsse oder Bauteile zwischen den Zellen 15 bereitzustellen. Wie es der Verlauf von 5b bis 5e und 6b bis 6e zeigt, während die Reflektoren 45 tiefer gemacht werden, erhöht sich der Anteil des gesamten ankommenden Lichts, der reflektiert wird, die Fläche 46 des Lichts, das die Reflektoren verlässt, wird kleiner, die Konzentration wird höher und die Zwischenräume zwischen den Zellen 15, die sich unmittelbar hinter den Reflektoren befinden, werden größer. Der Anstieg der Konzentration, im Verhältnis zu derjenigen des Lichts, das an der Empfangsoberfläche 9 einfällt, wird als sekundäre Konzentration C2 bezeichnet. Obwohl die abgebildete Ausführungsform mit Bezug auf quadratische Sekundärreflektoren 45 beschrieben wurde, können auch andere Formen verwendet werden, z. B. trapezförmige oder vieleckige Formen, wie es nachstehend in Verbindung mit alternativen Ausführungsformen beschrieben wird.
  • In 5b sind die Randreflektoren flach und fangen weniger als die Hälfte des eintretenden Lichts 47 ab und reflektieren es, die Räume, die zwischen den Zellen geöffnet werden, sind relativ schmal, und das meiste Licht an der Empfangsoberfläche 115 wird direkt an die Photovoltaikzelle 15 übertragen. Die Ausleuchtung über eine Zelle 15, wie in 6b abgebildet, bleibt gleichförmig über den größten Teil der Zellenfläche, ist jedoch an den Rändern heller mit einer annähernden Verdopplung der Lichtkonzentration um die Seiten und einer noch höheren Konzentration in den Ecken. Die nachstehend beschriebene Ausführungsform Zwei erläutert eine derartige Kopplung.
  • In 5c, 5d und 5e werden die Randreflektoren gezeigt, wie sie immer tiefer werden und immer mehr Licht aus der Empfangsoberfläche abfangen, wie es jeweils in den entsprechenden Intensitätsbildern in 6c, 6d und 6e gezeigt wird. In 5c erreicht das reflektierte Licht von jedem Seitenspiegel nicht bis zur Mitte der Zelle 15. Wie in 6c gezeigt, ändert sich die Konzentration deutlich über die Zelle 15 hinweg von etwa der Hälfte des Durchschnitts in der Mitte bis zu ungefähr zweimal dem Durchschnitt in den Ecken. In 5e reicht das reflektierte Licht von jeder Seite über die Mitte der Zelle hinaus, und wie in 6e abgebildet, ist die Konzentration über einem zentrierten Kreuz besonders hoch und in den Ecken schwächer. 5d stellt einen besonderen bevorzugten Fall dar, bei dem das Licht, das von jeder Seitenwand reflektiert wird, bis zur Mitte und nicht weiter reicht, und in dem Fall eines quadratischen Reflektors, der mit einer quadratischen Zelle 15 gekoppelt ist, zu einer annähernd gleichförmigen Ausleuchtung der Zelle 15, wie in 6d abgebildet.
  • Bei dem in 6d abgebildeten bevorzugten Beispiel beträgt der durchschnittliche Anstieg der Konzentration C2 am Ausgang 46, und der an die Zellen 15 abgegeben wird, ungefähr 2,6 im Vergleich zu dem Fluss, der auf den Eingang 47 an der Empfangsoberfläche 9 einfällt. Die Gleichförmigkeit des konzentrierten Lichts 46, das den Sekundärreflektor verlässt, wird in dem Diagramm aus 7 quantifiziert, bei dem die normierte Standardabweichung der Intensität, die den Reflektor 46 verlässt, gegenüber der durchschnittlichen Ausgangsintensität eingezeichnet, für einen Bereich sekundärer Tiefen, die im Fall von 6a von Null auf ein Maximum im Fall von 6e ansteigen. Die Sekundärreflektoren erbringen die höchste Gleichförmigkeit für eine sekundäre Konzentration C2 gleich 2,62, wenn die normierte Standardabweichung ein Minimum von 12% erreicht (angegeben durch die Bezugsnummer 300 in 7), bei dem in 5d abgebildeten Fall. Eine derartige Gleichförmigkeit des konzentrierten Lichts ist wünschenswert, um den Wirkungsgrad und die Langlebigkeit der Photovoltaikzellen zu maximieren. Die nachstehende Ausführungsform Drei nutzt diese bevorzugte Geometrie bzw. diesen „Sweet Spot” für quadratische Sekundärreflektoren, die in Kombination mit einer Kugellinse 5 verwendet werden, wie in 5d und 6d abgebildet. Dies sorgt für einen relativ breiten Zellenabstand und auch für eine relativ gleichförmige Ausleuchtung.
  • Für das spezifische Beispiel, das in 6d abgebildet ist, sind die Randspiegel in einem Neigungswinkel s = 12,7° von der Senkrechten zur Zellenebene abgeneigt und weisen eine Tiefe auf, die gleich 87% der Breite des Eingangs 47 ist, der Eingang 47 begrenzt einen Winkel α = 10° von der Kugellinsenmitte aus und die Reflexion ist extern. 6b, 6c, 6d und 6e und 7 werden für den gleichen Randspiegel-Neigungswinkel und ankommenden Strahlenwinkel wie für 6d berechnet, mit einer unterschiedlichen Tiefe, die bis zu einem Maximum gleich der Eingangsbreite für 6e zunimmt. Eine Untersuchung anderer Bauformen mit anderen Winkeln „s” und Winkel „α” zeigt ähnlich optimierte Konfigurationen für die Gleichförmigkeit der Konzentration, die eine Konzentration C2 aufweisen, die nur schwach von Konstruktionseinzelheiten eines Sekundärreflektors abhängig ist, und typischerweise ungefähr dem gleichen Anstieg von 2,6 der in 7 zu sehenden durchschnittlichen Konzentration entspricht.
  • Die Sekundärreflektoren bei dieser Erfindung, die konfiguriert sind, um die mehreren Photovoltaikzellen 15 zu beabstanden, nutzen die kleinen Einfallswinkel des Lichts an der Empfangsoberfläche 9, die insbesondere unter typischen Bedingungen vorherrschen, wenn die Fehlausrichtungsfehler gering sind. Kleine Einfallswinkel sind ein grundlegender Vorteil der optischen Bauform der vorliegenden Erfindung basierend auf ihrer Verwendung einer Abbildungsoptik mit einer Kugellinse 5 anstelle einer nicht abbildenden Optik, und ihrer Verwendung einer sphärischen anstelle einer ebenen Symmetrie. Die Stabilisierung von konzentriertem Licht durch die Kugellinse 5 der Erfindung stellt somit eine bedeutende Verbesserung gegenüber früheren Anlagen bereit. Typischerweise zeigen herkömmliche nicht abbildende Homogenisierungsvorrichtungen eine inhärente breite Streuung der Einfallswinkel, auch wenn kein Richtfehler vorliegt. Nachstehend, wird eine eher quantitative Analyse der Kennzeichen der Sekundärreflektoren gegeben, die bei verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden.
  • Ausführungsformen Typ Eins
  • Bei diesen Ausführungsformen befinden sich Photovoltaikzellen 15 direkt an der Empfangsoberfläche 9, wie in 5a und 6a abgebildet, satt anliegend auf flachen Facetten, welche die Empfangsoberfläche 9 annähern. Die Zellen 15, die mit den Flächen 47 zusammenfallen, können derart dimensioniert werden, dass die Leistung, die von jeder Zelle empfangen wird, und somit der Strom, der von jeder direkt ausgeleuchteten Zelle 15 erzeugt wird, im Wesentlichen gleich sind, um die elektrische Reihenschaltung zu erleichtern. Für die gleiche Leistung werden die Facettenflächen als Kehrwert der durch die nachstehende Gleichung (9) bestimmten Konzentration skaliert.
  • Die bevorzugte Facettengeometrie an der Empfangsoberfläche 9 ist von Form, Größe und Fokalverhältnis des Primärreflektors 1 abhängig, der zu verwenden ist, um einen Generator 4 auszuleuchten Die Übereinstimmung zwischen dem Primärreflektor 1 und der Empfangsoberfläche 9 wird in 8 gezeigt, die schematisch einen Generator 4 abbildet, der zur Verwendung mit einem quadratischen Primäreflektor 1 ausgelegt ist, womit ein Reflektor gemeint ist, dessen Umriss quadratisch ist, wenn man aus großer Entfernung an der Achse entlang nach unten blickt. Axiale Strahlen 2, die auf den primären Spiegel 1 abzielen, werden abgebildet, wie sie durch eine Ebene 65 gehen, die zu der Achse eines parabolischen Primärreflektors 1 senkrecht ist und durch das große Quadrat eingefasst ist, das durch die Eckpunkte 300, 303, 315 und 312 markiert ist. Die Strahlen 2 aus diesen Punkten verbreiten sich bis zu dem Primärreflektor 1, wobei sie die Reflektoreckpunkte 320, 323, 335 und 332 markieren. Die Strahlen 3, die von den Ecken des quadratischen Primärreflektors 1 reflektiert werden, gehen durch die Kugellinse 5 und den Brennpunkt 28, um die Ecken der Empfangsoberfläche 9 an den Punkten 340, 343, 355 (nicht sichtbar) und 352 zu markieren. Die Strahlen 3 gehen alle als gerade Linien von dem Reflektor 1 durch den Kugelmittelpunkt 28 und auf die Empfangsoberfläche 9. Die abgebildeten axialen Strahlen 3 werden nicht von der Kugellinse 5 gebogen, weil sie in Richtung auf den Brennpunkt 28 genau in der Mine der Kugellinse 5 reflektiert werden und somit in die Kugellinse 5 bei normalem Einfall ein- und austreten, wenn keine Ablenkung vorliegt.
  • Die Empfangsoberfläche für einen beliebigen vorgegebenen Primärreflektor 1 kann praktisch in Flächen unterteilt werden, welche die gleiche Energie durch die folgende Konstruktion empfangen, die in 8 abgebildet ist. Die große Fläche des eintretenden Sonnenlichts 65 wird in eine gewisse Anzahl von kleineren gleichen Flächen unterteilt. Eine beliebige Anzahl von gleichen Flächen kann bei dieser Konstruktion verwendet werden, wobei der Übersichtlichkeit halber hier eine kleine Anzahl gezeigt wird. Somit zeigt 8 die Unterteilung des Quadrats von Sonnenlicht 65 in neun identische kleinere Quadrate, wie etwa dasjenige, das durch die Ecken 302, 303, 307 und 306 markiert wird. Gleiche Mengen von Sonnenkraft gehen durch jedes der kleineren Quadrate gleicher Fläche und verbreiten sich, wie gezeigt, durch die Strahlen 2, um auf den Primärreflektor 1 in den markierten Flächen zu fallen. Z. B. fällt Licht, das anfänglich durch das kleinere Quadrat mit den Ecken 302, 303, 307 und 306 geht, auf den Primärreflektor 1 in der Fläche, die von den Eckpunkten 322, 323, 327 und 326 eingefasst ist. Die Strahlen 2 werden von dem Primärreflektor 1 als Strahlen 3 reflektiert, die gerade durch die Kugellinse 5 und den parabolischen Brennpunkt 28 gehen und an der Empfangsoberfläche 9 ankommen. Z. B. fällt das Licht, das aus der Fläche auf dem Primärreflektor 1 reflektiert wird, der von den Eckpunkten 322, 323, 327 und 326 eingefasst wird, auf die Empfangsoberfläche 9 in der Fläche, die von den Ecken 342, 343, 347 und 346 eingefasst wird. Jede kleine Fläche auf der derart konstruierten Empfangsoberfläche 9 empfängt eine gleiche Menge von Sonnenlichtenergie. Durch eine einfache Erweiterung dieser geometrischen Konstruktion können Flächen mit gleicher Leistung auf einer beliebigen Empfangsoberfläche 9 abgebildet werden, indem die gesamte Fläche auf der Ebene 65 unterteilt wird, die Licht an den Primärreflektor 1 in gleiche kleinere Flächen abgibt. Es ist eine weitere Eigenschaft dieser optischen Anlage (und ein bedeutender Vorteil), dass die Form jeder beliebigen der kleinen Flächen, die auf der Empfangsoberfläche 9 markiert sind, ähnlich wie die der Fläche ist, die durch entsprechende Punkte auf der Definitionsebene 65 des eintretenden Lichts markiert ist. Da bei dem erläuternden Beispiel die individuellen Eingangspupillenformen quadratisch sind, so sind auch die gleichen Leistungsformen auf der Empfangsoberfläche annähernd quadratisch, obwohl letztere nicht alle gleich groß sind. Auch wenn die reflektierten Strahlen 3 durch den Primärreflektor 1 geringfügig fehlgelenkt werden, ist die Solarenergie, die von einer Fläche auf dem parabolischen Reflektor 1 reflektiert wird, durch diese Konstruktion abgegrenzt, so dass sie, eingefasst durch 322, 323, 327 und 328, weiter an die entsprechenden Flächen gleicher Leistung auf der Empfangsoberfläche 9 abgegeben wird, die bei diesem Beispiel von den Ecken 342, 343, 347 und 346 eingefasst sind. Dies ist der Fall, weil die Empfangsoberfläche 9 die Oberfläche des Bildes ist, das durch die Kugellinse 5 des Primärreflektors 1 gebildet wird.
  • Ein erläuterndes Beispiel der Konstruktion von Flächen mit gleicher Leistung an der Empfangsoberfläche 9 eines Generators 4, der zur Verwendung mit einem großen kreisförmigen Primärreflektor geeignet ist, wird in 9a gezeigt. Die anfängliche ebene Oberfläche 65 ist kreisförmig und wird durch Ringe und Speichen in gleiche keilförmige Bereiche unterteilt. Das Bild auf der Empfangsoberfläche 9 dieses Musters kann durch Ringe von Trapezoiden, die in jedem einzelnen Ring alle gleich groß sind, sehr gut genähert werden, wie es 9b zeigt. In dieser Abbildung beträgt die Gesamtanzahl der Photovoltaikzellen 15 336, und zehn verschiedene keilförmige Zellenarten werden benötigt, und zwar eine Art für jeden Ring. Die äußeren trapezförmigen Flächen auf der Empfangsoberfläche 9 sind bei diesem Beispiel annähernd quadratisch, während die innersten Ringe deutlicher trapezförmig sind. Die nicht rechteckigen Formen der Zellen 15, die benötigt werden, um die gleichen Flächen auf der Empfangsoberfläche 9 auszukacheln, dürften die Herstellungskosten im Falle einer Massenproduktion im großen Rahmen nicht merklich erhöhen und dürfte somit kein Kostenfaktor sein, der von der Nutzung der einzigartigen optischen und betriebsmäßigen Vorteile der vorliegenden Erfindung abhält. In der Tat kann eine Konfiguration der trapezförmigen Zellen 15 hergestellt werden, bei der die Photovoltaikzellen 15 zur Trennung durch Laserdünnschichtschneiden dicht nebeneinander auf einer kreisförmigen Scheibe ausgelegt werden, und kann zu einem Minimum an vergeudeter Fläche auf der Scheibe führen. Ein geeignetes Verfahren zum Laserdünnschichtschneiden wird in der Anmeldung unter der Seriennummer 11/441 454 offenbart, eingereicht am 25. Mai. 2006, von O'Brien et al., unter dem Titel ”Infrared Laser Wafer Scribing Using Short Pulses”, Veröffentlichungs-Nr. US 2007/0272666 A1 , vom 29. November 2007, die hiermit zur Bezugnahme übernommen wird.
  • Ein zweites erläuterndes Beispiel der Empfangsoberfläche dieser Art Ausführungsform mit einem Kachelmuster, das zur Verwendung mit einem quadratischen Primärreflektor geeignet ist, ist in 10a und 10b abgebildet. 10a ist eine Draufsicht eines regelmäßigen quadratischen Gitters aus 9 × 9 Strahlenzellen an einer flachen Oberfläche 65, wo alle Quadrate des Gitters, die durch die Ecken 66 markiert sind, die gleiche Fläche aufweisen. 10b zeigt das Muster der Zellen 15 an der Empfangsoberfläche 9, das durch das in 8 abgebildete Verfahren konstruiert wird. Die Empfangsoberfläche 9 ist hier, wie in 10b abgebildet, in 81 annähernd quadratische Formen unterteilt, welche die gleiche Leistung empfangen, obwohl sie unterschiedliche Flächen aufweisen.
  • Die Strahlengeometrie für die gleichflächige Konstruktion aus 8 ist in 11 abgebildet. Ein Strahl 2, der parallel zur Paraboloidachse ist, trifft auf einen Primärreflektor 1 in dem Punkt P mit dem Radius r auf, gemessen von der Paraboloidachse VC aus. Er wird als Strahl 3 in dem Winkel θ reflektiert, der von der Paraboloidachse VC aus gemessen wird. Der Winkel θ kann sich auf r beziehen, wenn man das rechtwinklige Dreieck PHC berücksichtigt, dessen Seite HC eine Länge gleich VC-VH aufweist. Dabei sind VC = F, die Brennweite des Paraboloiden, und HV = PQ = z, die Sagittaltiefe des Paraboloiden in Punkt P, gleich r2/4F (aus der Gleichung eines Paraboloiden der Brennweite „F”). Somit ist HC = F – z2/4F. Wenn man den Winkel θ = HCP berücksichtigt, kann das gewünschte Verhältnis bestimmt werden durch:
    Figure 00310001
  • Mit Bezug auf 10a wird die Sonnenkraft, die in ein beliebiges Quadrat an der Eingangspupille 65 eindringt, insgesamt an das Bild des Quadrats auf der Empfangsoberfläche 9 abgegeben, mit Ausnahme von nur geringen Verlusten an den Übertragungsoberflächen und durch die interne Absorption der Kugellinse 5. Da die Quadrate der Eingangspupille alle die gleiche Fläche aufweisen und die optischen Verluste im Wesentlichen über die Pupille hinweg konstant sind, empfangen alle Zellen über die Empfangsoberfläche die gleiche Leistung, obwohl die Konzentration mit dem Radius zunimmt. Somit werden die Öffnungen der Empfangsoberfläche, die durch die obige Konstruktion bestimmt werden, mit zunehmendem Radius kleiner, um den Anstieg der Konzentration zu kompensieren. Somit werden für diese Ausführungsform annähernd quadratische Zellen benötigt, die einen Bereich von unterschiedlichen Größen abdecken, die mit zunehmendem Radius, wie in 10b abgebildet, kleinflächiger werden.
  • Die Photovoltaikzellen 15 für diese Ausführungsform werden bevorzugt speziell in verschiedenen Formen und Größen mit chipinternen Sammelschienen hergestellt, um den photovoltaischen Strom an der Oberfläche der Zellen mit minimaler Fläche zu sammeln, um den größten photovoltaisch aktiven Anteil der Zellenoberfläche zu erzielen. Die Photovoltaikzellen 15 werden auch montiert, so dass ein minimaler Platz für den Anschluss von Leitern. zugeordnet wird. Nebenschlussdioden, die elektrisch über jede Zelle angeschlossen sind, um eine Beschädigung bei unregelmäßiger Ausleuchtung zu verhindern, befinden sich hinter der Empfangsoberfläche, um einen zusätzlichen Lichtverlust zu vermeiden.
  • Eine Schwäche der obigen Ausführungsform, wie bei allen CPV-Generatoren mit Zellen, die direkt in konzentriertem Licht dicht aufgestellt sind, ist der unvermeidliche Leistungsverlust, weil nicht die ganze Fläche einer Zelle lichtempfindlich ist. Der photovoltaisch aktive Anteil der Fläche von PV-Konzentratorzellen 15 liegt typischerweise bei nicht mehr als 90%, wobei die restliche Fläche an undurchsichtige elektrische Sammelschienen an den Rändern der Zelle verloren geht. Somit werden typischerweise 10% der einfallenden Energie oder mehr bei einer derartigen Konfiguration vergeudet.
  • Eine zweite Schwäche ist die Schwierigkeit des Beseitigen von Abwärme hinter eng untergebrachten Zellen 15. Die Nebenschlussdioden 30, die mit den Zellen 15 verknüpft sind, und die elektrischen Anschlüsse zwischen den Zellen 15 müssen sich bevorzugt hinter den Photovoltaikzellen 15 befinden, um einen zusätzlichen Lichtverlust zu vermeiden, und an dieser Steile können sie die Herstellung erschweren und können die Abwärmeströmung stören. Eine derartige Störung kann auch zu Unwirksamkeiten führen, indem sie ungleichförmige Temperaturen verursacht.
  • Ausführungsformen Typ Zwei
  • Die Ausführungsformen des zweiten Typs umfassen flache Sekundärreflektoren, um Licht von den lichtunempfindlichen Rändern der Zellen weg zu leiten, wie es schematisch in 5b und 6b abgebildet wird. Eine Aufstellung von Sekundärreflektoren 45 mit kleineren Zellen hinter jedem Reflektor kann in Kachelanordnungen konfiguriert sein, welche die gleiche Leistung an jede Zelle 15 abgeben, wie etwa diejenigen, die in der obigen 9b zur Verwendung mit einem kreisförmigen Primärreflektor 1 und in 10b zur Verwendung mit einem quadratischen Primärreflektor 1 abgebildet sind. Alternativ kann eine Kachelkonfiguration, die an die Zellen 15 verschiedene Leistungspegel abgibt, bevorzugt werden, wenn parallele elektrische Anschlüsse sowie serielle Anschlüsse vorgenommen werden. Ein sekundärer Reflektor bei dieser Ausführungsform kann die Form eines verspiegelten Rahmens 45 oder eines prismatischen Fensters 11 annehmen, wie es in dem ausführlichen Querschnitt der prismatischen Fenster 11 in 12a für eine axiale Ausleuchtung und in 12b für eine außeraxiale Ausleuchtung abgebildet ist. Die Eingänge 10 dieser Sekundärreflektoren 11 haben die gleiche Form und Größe wie die Zellen 15, die sie in 9b oder 10b ersetzen, werden jedoch nun mit kleineren (nicht gezeigten) Photovoltaikzellen 15 gekoppelt, die sich unmittelbar hinter den Ausgangsseiten 12 befinden. Die Sekundärreflektoren können mit ebenen randreflektierenden Oberflächen 13 konfiguriert sein, in welchem Fall die Zellen die gleichen Eckwinkel und die gleiche Seitenanzahl wie die Eingangsseiten 10 aufweisen, werden jedoch verkleinert.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform verwendet flache Sekundärreflektoren in Form von prismatischen Fenstern und ein Kachelmuster, das für kombinierte parallele und serielle elektrische Anschlüsse konfiguriert ist. 13a bildet eine beispielhafte Konfiguration von Ringen aus dünnen prismatischen Fenstern ab, die für eine derartige Kachelung einer kreisförmigen Empfangsoberfläche 9 geeignet ist und sich zur Verwendung mit einem kreisförmigen Primärreflektor 1 eignet, wobei eine Schattierung die Ausgabe von konzentriertem Licht an die photovoltaisch aktiven Flächen der Konzentratorzellen 15 angibt. In 13a und 13b gibt eine dunklere Schattierung eine höhere Konzentration an. Die Photovoltaikzellen 15 und ihre verknüpften Strukturen sind um Punkte zentriert, die der Länge nach und in Ringen gemeinsamer Breite gleichmäßig beabstandet sind, wie in 13a abgebildet. Mit Bezug auf 13a werden die Standorte von prismatischen Fensterausgängen 12 für spezifische Photovoltaikzellen 250 bis 279 bereitgestellt, wobei es sich versteht, dass der Übersichtlichkeit halber nur ungefähr die Hälfte der Photovoltaikzellen in 13a mit Bezugsnummern gezeigt werden. Es wird ein äußerer Ring, der die Photovoltaikzellen 250, 251, 252, 253, 254, 255 und 280 umfasst, gezeigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Zellen 250, 251, 252, 253, 254, 255 und 280 in dem äußeren Ring im Wesentlichen die gleiche Form auf. Es wird ein mittlerer Ring bereitgestellt, der die Photovoltaikzellen 260, 261, 262, 263, 264, 265 und 281 umfasst. Es ist zu beachten, dass die Mittelringzelle 260 als Trapezoid gestaltet ist, das eine größere Höhe und kleinere Grundfläche im Vergleich zu der entsprechenden Außenringzelle 250 aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist jede der Zellen 260, 261, 262, 263, 264, 265 und 281 in dem mittleren Ring im Wesentlichen die gleiche Form auf Es wird auch ein innerer Ring aus den Photovoltaikzellen 270, 271, 272, 273, 274, 275 und 282 bereitgestellt. Die Innenringzelle 270 ist als Trapezoid gestaltet, das eine größere Höhe und kleinere Grundfläche im Vergleich zu der entsprechenden Mittelringzelle 260 aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist jede der Zellen 270, 271, 272, 273, 274, 275 und 282 in dem inneren Ring im Wesentlichen die gleiche Form auf.
  • Einzelheiten eines Generators 4 gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform mit Sekundärreflektoren in Form von flachen prismatischen Fenstern werden in dem Gesamtquerschnitt aus 2 gezeigt, wobei Einzelheiten der Zellenkopplung und Kühlung in den Querschnittsansichten aus 14 und 15 gezeigt werden. Bei diesem Beispiel einer Ausführungsform eines Generators 4 werden die Ausgänge der prismatischen Fenster, die in 13a durch eine Schattierung gezeigt werden, mit flachen Konzentrator-Photovoltaikzellen 15 gekoppelt. Die muschelförmige Empfangsoberfläche 9 wird mit einer im Wesentlichen stabilisierten konzentrierten Solarstrahlung 6 und 7 ausgeleuchtet. Die Solarstrahlung ist mit den Photovoltaikzellen 15 durch prismatische Fenster 11 gekoppelt. Der Zweck der prismatischen Fenster 11 ist es, die im Wesentlichen durchgehend verteilte Solarstrahlung 6 und 7 von den Sammelschienen 37 weg auf die Ränder der Photovoltaikzellen 15 und von den Zusammenschaltungen 19 und der Kupferschaltungsspur 18 zwischen den. Zellen 15 weg zu lenken; (diese Solarstrahlung würde ansonsten vergeudet, wenn sie auf die Sammelschienen 37 und die Zusammenschaltungen 19 fiele). Auf diese Art und Weise wird im Wesentlichen die gesamte Solarstrahlung 6 und 7 auf die photovoltaisch aktiven Oberflächen 51 der Photovoltaikzellen 15 gelenkt und somit wird der Wirkungsgrad maximiert. Jedes prismatische Fenster 11 weist bevorzugt eine ebene parallele Eingangsseite 10 und eine Ausgangsseite 12 auf. Jedes prismatische Fenster 11 weist ebene polierte Ränder 13 auf. Wie in 13a gezeigt, sind die flachen Eingangsseiten 10 der Fenster 11 gestaltet, um zusammen in ein Polyeder zu passen, das die Empfangsoberfläche 9 im Wesentlichen nahtlos auskachelt. Die Polyederfacetten 10 sind Vielecke, bevorzugt zum größten Teil Trapezoide, und die Konzentratorzellen 15 sind ebenfalls zum größten Teil ähnliche Vielecke mit den gleichen Eckwinkeln und der gleichen Seitenanzahl wie die Eingangsseiten 10, jedoch mit kleineren entsprechenden Dimensionen. Die Facetten des Polyeders in der Nähe der Mitte der Empfangsoberfläche 9 (in 13a und 13b nicht gezeigt) sind typischerweise Vielecke mit mehr als vier Seiten.
  • Die im Wesentlichen flachen Ausgangsseiten 12 der prismatischen Fenster 11 werden gepaart, um zu den trapezförmigen, photovoltaisch aktiven Flächen 51 der Zellen 15 zu passen. Die prismatischen Fenster 11 werden bevorzugt mit einer dünnen Schicht eines optisch übertragenden Materials 14 mit den Zellen 15 kontaktiert, um Verluste durch dielektrische und interne Totalreflexion zu minimieren. Die Lichtstrahlen 7, die nahe an den Rändern des Eingangs 10 in ein Fenster 11 eindringen, erfahren eine interne Totalreflexion an den polierten Rändern 13 und werden somit effektiv auf die photovoltaisch aktive Zellenfläche 51 gebracht. Die Gleichförmigkeit und Konzentration der Solarstrahlung, die an die Photovoltaikzelle 15 übertragen und reflektiert wird, ist von der Geometrie des Fensters 11 abhängig, wie es oben beschrieben und in 5 und 6 abgebildet wird.
  • Die prismatischen Fenster 11 werden bevorzugt kostengünstig durch Präzisionsformen von Glas mit hohem Durchlass für den Solarfluss massenproduziert. Die Form wird einem Freiwinkel angefertigt, um die kleinere Ausgangsfläche 12 und die geneigten Flächen 13 zu formen. Nachdem diese Seiten 12 und 13 in einem einzigen Formvorgang geformt wurden, wird das teilweise geformte prismatische Fenster 11 durch Schleifen und Polieren der größeren, flachen Eingangsseite 10 fertiggestellt.
  • Solarenergie, die nicht in Elektrizität umgewandelt wird, ergibt Wärme, die aus den Zellen 15 durch Leitung durch das Kupfer-Keramik-Sandwich 17, 20 und 21 beseitigt wird. Es ist wünschenswert, den Generator 4 durch die Beseitigung übermäßiger Wärme zu kühlen. Ein bevorzugtes Verfahren und Gerät zum Kühlen sind in 1, 2, 14 und 15 abgebildet unter Verwendung eines Arbeitsfluids 22 in direktem Kontakt mit der äußeren Kupferschicht 21. Der Generator 4 umfasst bevorzugt gerippte Kühlrohre 24 und verwendet passive Wärmerohr-Grundlagen zum Kühlen, wobei die Wärme absorbiert wird, indem eine Flüssigkeit, wie abgebildet und am besten in 2 gezeigt, zum Sieden gebracht wird. Mit Bezug auf 2 begibt sich Dampf 23 bis zu den gerippten Kühlrohren 24 und kehrt als kondensierte Flüssigkeit 25 zurück. Bei dem in 2 gezeigten erläuternden Beispiel wird ein Baum aus gerippten Rohren 24 verwendet, wobei jedes Rohr 24 parallel zu der parabolischen Achse orientiert ist. Bei dem abgebildeten Beispiel gehen alle Achsen der Rohre 24 über den oberen Teil der Empfangsoberfläche 9, so dass für alle nützlichen Solarerhebungen die kondensierte Flüssigkeit 25 in den Kühlmittelbehälter 22 hinter der Empfangsoberfläche 9 zurückläuft, ohne eine Dochtwirkung zu benötigen. Es versteht sich, dass dieses Kühlverfahren rein erläuternd ist und dass andere Kühlmittel, wie etwa durch Pumpen der Flüssigkeit 22 in einen externen Kühler, verwendet werden können. Zum Zwecke der Erläuterung in. 2 wird der Generator 4 mit der Sphäre auf dem parabolischen Brennpunkt 28 durch Stützen 26 zentriert gehalten, und die durch die Zellen 15 erzeugte Elektrizität wird mit Drähten oder Leitern 27 gekoppelt, die an den Stützen 26 angebracht werden können, so dass Elektrizität ausgebracht und zur anderweitigen Verwertung übertragen werden kann. Ein alternativer bevorzugter Träger für den Generator 4 ist ein axialer Pfosten 39 bis zu den Flügeln 38, wie in 1 gezeigt. Bei der in 14 und 15 abgebildeten bevorzugten Ausführungsform sind die Zwischenräume zwischen den Zellen 15 klein und das wärmeleitfähige Substrat wird als eine durchgehende dünne Hülle 20 in Form einer konkaven, facettierten, polyedrischen Muschel 20 vereinigt. Ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen konkaven Empfängeranordnung, die eine Vielzahl von Photovoltaikzellen 15 trägt, wird nachstehend beschrieben.
  • Es ist zu beachten, dass das Erwärmen der Zellen 15 in den Rand- und Eckbereichen mit einer höheren Konzentration der photovoltaisch aktiven Fläche 51 wahrscheinlich kein Problem ist. Die Dicke des Substrats ist vergleichbar mit der Dicke der schmalen Bereiche der Randaufhellung, so dass eine zusätzliche örtliche Wärme in dem Substrat dazu neigt, seitlich in die Zwischenraumbereiche zu diffundieren, wo keine Solarausleuchtung oder Erwärmung vorliegt. Zudem minimiert der direkte kurze Pfad durch die mit Kupfer ausgekleidete Keramik zu der Kühlflüssigkeit 22, wie in 14 und 15 gezeigt, den Temperaturanstieg.
  • Während ein Sieden nach Art einer Wärmesenke oder eines Thermosiphons, wie in 2 und 14 abgebildet, verwendet werden kann, um die Rückseite der Keramikhülle 20 abzukühlen, wird es für Sachverständige im Bereich der Kühltechnologie klar sein, dass alternative Verfahren verwendet werden könnten. Eine Zwangsflüssigkeitsströmung ist eine derartige Alternative, die bevorzugt mit eng beabstandeten Rippen oder Stäben umgesetzt wird, die als Teil der Rückfläche der Keramik 20 eingebaut sind, um die Mantelfläche zu vergrößern. In diesem Fall wird der Flüssigkeitsströmung zwischen den Rippen oder Stäben gelenkt, um einen hohen Temperaturgradienten in der Flüssigkeit 22 an der Oberfläche, und somit eine effiziente Wärmeübertragung in die Flüssigkeit 22, zu bewahren. Zudem sind Alternativen zur Wärmeübertragung, wie sie für die folgende Ausführungsform Drei beschrieben werden, allgemein auf alle Ausführungsformen anwendbar.
  • Die Eingangsoberfläche der Kugellinse 5 kann durch eine gelenkige, kappenartige Abdeckung 42 geschützt sein, die in 40 in einer offenen Position gezeigt ist. Diese Abdeckung 42 wird geschlossen, wenn die Sonne nicht scheint, um die Kugellinse 5 vor Staub und Insekten zu schützen, die sich auf der Oberfläche der Kugellinse 5 verbrennen könnten, wenn sich die Wolken verziehen. Alternativ kann die Kugellinse 5 der vorliegenden Ausführungsform durch ein durchsichtiges Fenster 101, wie in 26 abgebildet, geschützt werden.
  • Effekte großer Fehlausrichtungswinkel
  • Eine Stabilisierung der Intensität des konzentrierten Lichts auf den Zellen 15 ist in die optische Bauform eingebaut, weil die erneute Bildgebung zu einer. eindeutigen Entsprechung zwischen Strahlen von einem Punkt auf der Schüssel 1 und seinem Gegenstück auf der Empfangsoberfläche 9, wie in 4b abgebildet, führt. Vorausgesetzt, dass diese Strahlen nicht zu weit in Richtung auf den Rand der Kugellinse 5 verschoben werden, bleiben alle Photovoltaikzellen 15 gleichförmig ausgeleuchtet. Diese Stabilisierung bricht jedoch für Strahlen ab, die weit von der Mitte der sphärischen Linse 5 am Paraboloid-Brennpunkt 28 verschoben werden und nahe an ihrem Rand in die Kugel 5 eindringen. Eine derartige große Strahlenverschiebung kann auf Grund von großen Abweichungen der Form der Schüsseloberfläche 1 von dem gewünschten Paraboloid und auf Grund der Kombination von Effekten wie Fehlausrichtung und endlicher Winkelgröße der Sonne vorkommen.
  • Der Effekt großer Fehlausrichtungswinkel wird am besten durch die Berücksichtigung der Einzelheiten der Lichtverteilung verständlich, wenn der Fehlausrichtungswinkel zunimmt. Dazu wurde die Reaktion einer Kugellinse 5 auf außeraxiale Ausleuchtung mit einem spezifisch aufgebauten Raytracing-Code modelliert. Der Code modelliert die Reflexion und Brechung durch den parabolischen Primärreflektor 1, die sphärische Kugellinse 5 und die prismatischen Fenster 11 vor den Zellen 15. Das Modell umfasst auch eine undurchsichtige Scheibe, welche die Kugellinse 5 über ihrer Mitte tragt und Strahlen unter großen Fehlausrichtungswinkeln, die ganz an der Kugellinse 5 vorbeigehen, blockiert. Der Code bestimmt, welche Strahlen in welches prismatische Fenster 11 nach der Übertragung durch die Kugel 5 eindringen, und diese Strahlen werden durch die Zelle 15 verfolgt, je nach Bedarf einschließlich mehrerer interner Reflexionen in dem Fenster.
  • Die Beschaffenheit von Fehlausrichtungsfehlern wird in 16a bis 16h erläutert. 16a bis 16h stellen Querschnittsdiagramme dar, die immer größer werdenden Richtfehlern entsprechen. Die Wege der Strahlen durch die Kugel 5, die in 16a bis 16h ausführlich gezeigt werden, stammen von Strahlen 3, die von einer bestimmten Punktlinie über einen Durchmesser eines parabolischen f/0,5-Reflektors 1 reflektiert werden. Die Wege werden für kollimierte Strahlen 2 modelliert, die in den parabolischen Reflektor 1 unter verschiedenen Winkeln zur Paraboloidachse (Fehlausrichtungswinkeln), wie angegeben, eindringen.
  • Für eine axiale Ausleuchtung, wie in 16a gezeigt, treten die Strahlen 3 in die Kugellinse 5 unter normalem Einfall ein und aus und werden nicht umgelenkt, d. h. sie folgen geradlinigen Wegen von dem Reflektor 1 durch die Kugellinse 5 und auf die Empfangsoberfläche 9. Am Ende der in 16h gezeigten außeraxialen Ausleuchtung schneidet keiner der Strahlen die Kugellinse 5 oder erreicht die Empfangsoberfläche 9, und die Leistungsausgabe fällt auf Null ab. Der kritische Fehlausrichtungswinkel δc, der einer Nullausgabe entspricht, für einen beliebigen bestimmt Kugelradius „a” und eine primäre parabolische Brennweite „F”, wird gegeben durch δc = a/F. (5)
  • Der kritische Winkel für den erläuterten Fall δ = 1,65°. Es ist ersichtlich, dass die Intensität an der gekrümmten Empfangsoberfläche 9 gegen Richtfehler bis zur Hallte des kritischen Winkels auf Grund der Abbildungseigenschaft der Kugellinse 5 sehr beständig ist. Bei diesen größeren Winkeln wird die Ausleuchtungsfläche im Verhältnis zu der Empfangsoberfläche 9 in 16b bis 16h dezentriert. Die Intensität an der Empfangsoberfläche 9, die durch die Dichte der in 16a bis 16h gezeigten Strahlen gegeben ist, fällt in der Nähe des linken Randes auf Null ab. Wenn alle Photovoltaikzellen 15, welche die Empfangsoberfläche 9 abdecken, elektrisch individuelle in Reihe geschaltet wären, jeweils mit einer Nebenschlussdiode, dann würde, wenn die Zellen 15 um diesen Rand herum genug Strom verlieren, ihre Leistung durch die Einwirkung der Nebenschlussdioden völlig ausgeschaltet.
  • Ausführungsform Typ Zwei mit optimierten elektrischen Anschlüssen zur Verbesserung der Fehlausrichtungstoleranz
  • Um den Verlust von Generatorleistung für Fehlausrichtungsfehler von mehr als δc/2, zu minimieren, kombinieren einige bevorzugte Ausführungsformen die elektrischen Ausgaben von den Photovoltaikzellen 15 derart, dass sie einen gleichförmigen starken Strom aufrechterhalten, indem sie die vorhersehbaren Änderungen der Ausleuchtung nutzen, die in 16a bis 16h abgebildet sind. Bei diesen bevorzugten Ausführungsformen wird ein derartiger Verlust durch eine elektrische Konfiguration vermieden, bei der die Ausgaben der Photovoltaikzellen 15 in radialen Gruppen kombiniert sind, die elektrisch parallel geschaltet sind. Das Ziel dieser optischen und elektrischen Strategien ist es, Gruppen von Photovoltaikzellen 15 zu behalten, die nahe an ihrem maximalen Leistungspunkt in ihrer I–V (Strom-Spannung) Kurve funktionieren, auch wenn individuelle Photovoltaikzellen 15 Leistung verlieren oder gewinnen. Im Idealfall sollte die Spitze-Tal-Streuung des Stroms in den Zellen 15 oder den parallelen Gruppen von Zellen 15 für typische Durchbiegung und Fehlausrichtung geringer als 10% des Mittelwertes sein. Bei dieser Streuung liegt der Leistungsverlust durch Stromfehlanpassung der in Reihe geschalteten Gruppen wahrscheinlich bei weniger als 2,5%. Durch das Erstellen von Parallelschaltungen kann eine hohe Leistung bis zu größeren Fehlausrichtungswinkeln beibehalten werden.
  • Eine Ausführungsform, welche die elektrischen Anschlüsse optimiert, um den Leistungsverlust bei Fehlausrichtung zu minimieren, nutzt systematische und vorhersehbare Änderungen bei der Ausleuchtung der Abbildungsoptik der Erfindung. Wie in 16d, 16e und 16f gezeigt, wenn der Fehlausrichtungswinkel δc/2 überschreitet, verliert die Randzelle 180 (auf der linken Seite) an Leistung, während ein damit einhergehender Anstieg der Konzentration an den angrenzenden Zellen 181 und 182, die näher zur Mitte liegen, gegeben ist. Für die Zellen 181 und 182 kann die Intensität sogar diejenige für eine axiale Ausleuchtung Überschreiten. Somit werden durch das Anschließen radial orientierter Gruppen von Zellen, wie etwa 180, 181 und 182, in parallelen Gruppen Unterschiede beim Zellenstrom räumlich gemittelt. Der gemittelte Strom für eine radiale Gruppe auf der linken Seite in 16e und 16f ist dann ähnlich wie der radiale Durchschnitt für die Zellen auf der gegenüberliegenden rechten Seite der Empfangsoberfläche 183, 184 und 185 in 16d, 16e und 16f, wobei die Ausleuchtung bis zum Rand (und darüber hinaus) weitergeht, jedoch überall geringer ist als für eine axiale Ausleuchtung, wie in 16a. Diese Gruppen von (elektrisch parallel geschalteten) Zellen 15, die sich physikalisch in radialen Zellengruppen 15 befinden, werden wiederum, wie in 17 dargestellt, für eine Gesamtleistungsabgabe, die für eine Fehlausrichtung relativ unempfindlich ist, um die Azimutrichtung herum in Reihe geschaltet.
  • In 17 werden die Zellen 15 schematisch durch Kreise dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber werden nur einige der Zellen in der Zeichnung mit Bezugszahlen versehen. Die Nebenschlussdioden 30 stellen eine Leitfähigkeit bereit, wenn eine Zelle 15 nicht ausreichend ausgeleuchtet ist, weil eine nicht ausgeleuchtete Zelle 15 ansonsten durch Strom von dem Generator beschädigt werden könnte. Die Anschlüsse zwischen den Zellen 15 und den Nebenschlussdioden 30 können durch eine gedruckte Schaltung mit Spuren 17 und 18 hergestellt und in der inneren Kupferschicht gebildet werden.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die bevorzugten Kachelmuster für die Zellen 15 über die Empfangsoberfläche 9 diejenigen, die radiale Gruppierungen bereitstellen, die alle im Wesentlichen den gleichen Strom über einen größeren Fehlausrichtungsbereich erbringen. Eine derartige Kachelung der Photovoltaikzellen 15 ist für den Fall eines kreisförmigen parabolischen Reflektors 1, der durch die Kugellinse 5 auf eine Empfangsoberfläche 9 mit einem kreisförmigen Umfang abgebildet wird, unkompliziert.
  • Das Prinzip der Parallelschaltung der Photovoltaikzellen 15 in radial orientierten Gruppen, so dass Zellenstromunterschiede räumlich gemittelt werden, kann mit Bezug auf die Einzelheiten der Ausleuchtungsintensität besser erklärt werden, die in den perspektivischen Ansichten aus 13a und 13b gezeigt werden. 13a ist für eine axiale Ausleuchtung gedacht, und 13b ist für eine Ausleuchtung gedacht, die um 1 Grad außeraxial ist. Der kritische Winkel für die abgebildete Anlage θc = 1,65°. In diesen Ansichten wird das Licht, das die Sekundärreflektoren an den Seiten 12 der prismatischen Fenster 11 verlässt, als eine Verteilung schwarzer Punkte gezeigt. Die Punkte stellen den Ausgangspunkt der Strahlen 3 dar, die von dem Primärreflektor 1 reflektiert werden und die Anlage als Strahlen 2 in die Ebene 65 (8) mit einer gleichförmigen und nahezu zufälligen räumlichen Verteilung eingedrungen sind. Die Punktdichte in 13a und 13b ist somit für die Konzentration der Solarstrahlung repräsentativ, welche die photovoltaisch aktiven Zellenbereiche 51 ausleuchtet, die sich direkt hinter den Ausgangsfenstern 12 des prismatischen Fensters befinden.
  • Eine Zelle 250 aus dem Außenring, eine Zelle 260 aus dem Mittelring und eine Zelle 270 aus dem Innenring bilden eine radial orientierte Gruppe. Diese radial orientierte Gruppe der Zellen 250, 260 und 270 ist elektrisch parallel geschaltet, so dass ihre Zellenstromunterschiede räumlich gemittelt sind. Ähnlich bilden die Photovoltaikzellen 251, 261 und 271 eine radial orientierte Gruppe, die elektrisch parallel geschaltet ist. Ebenso sind die Photovoltaikzellen 252, 262 und 272 elektrisch parallel geschaltet. Ähnlich ist die Zelle 280 in dem Außenring mit der Zelle 281 in dem Mittelring und der Zelle 282 in dem Innenring parallel geschaltet. Diese Zellengruppen sind wiederum um die Azimutrichtung herum elektrisch in Reihe geschaltet. Z. B. ist die erste Gruppe der Zellen 250, 260 und 270 mit der zweiten Gruppe der Zellen 251, 261 und 271 elektrisch in Reihe geschaltet, die wiederum mit der dritten Gruppe der Zellen 252, 262 und 272 elektrisch in Reihe geschaltet ist, und so weiter.
  • In 13b sind die Zelle 280 und die anderen daran angrenzenden Zellen auf dem Außenring auf Grund eines Richtfehlers der Nachführeinrichtung um ein Grad nicht ganz ausgeleuchtet. Wenn man den Effekt dieser Fehlausrichtung auf die drei Zellen 280, 281 und 282 berücksichtigt, die sich in der gleichen radialen Gruppe befinden, während die Zelle 280 wenig Ausleuchtung empfängt, ist die Ausleuchtung auf der Zelle 281, und gewissermaßen die Ausleuchtung der Zelle 282 im Vergleich mit der Ausleuchtung, die von diesen jeweiligen Zellen unter den in 13a dargestellten Bedingungen intensiver. Da die Zellen 280, 281 und 282 parallel geschaltet sind, summieren sich die Ströme, die von den Zellen 280, 281 und 282 erzeugt werden. Weniger Strom aus der teilweise ausgeleuchteten Zelle 280 wird dann auf Grund der erhöhten Intensität der Ausleuchtung, die sie empfängt, zu dem erhöhten Strom aus der Zelle 281 hinzugefügt, und es wird gewissermaßen ein erhöhter Strom auch durch die Zelle 282 produziert. Somit wird die Reduzierung des Stroms aus Zelle 280 durch den erhöhten Strom aus Zelle 281 und Zelle 282 ausgeglichen. Der Nettoeffekt ist, dass die gesamte elektrische Ausgabe der Zellen über einen Bereich von Richtfehlern gemittelt oder geglättet wird. Somit stellt diese Anordnung von Photovoltaikzellen 15 einen Generator 4 bereit, der über einen erweiterten Bereich von Richtfehlern einer um zwei Achsen beweglichen Nachführeinrichtung, die verwendet wird, um den Reflektor 1 auf die Sonne auszurichten, weiter funktioniert.
  • Der Übersichtlichkeit halber lässt 13a die Photovoltaikzellen 15 aus, die sich in der Mitte der Anordnung befinden können. Der elektrische Anschluss der Photovoltaikzellen 15 für eine kreisförmig symmetrische Ausführungsform wird in dem in 17 dargestellten Schaltbild schematisch gezeigt. Bei diesem Beispiel gibt es drei Ringe aus zwanzig trapezförmigen Photovoltaikzellen mit zwanzig in Reihe geschalteten Zellengruppen, wobei jede radiale Gruppe drei parallel geschaltete Zellen aufweist. Die serielle Kette umfasst auch eine mittlere Gruppe aus fünf Zellen, die in 13a nicht gezeigt sind, die derart bemessen ist, dass im Betrieb, wem man eine eventuelle mittlere Verdunkelung durch den Generator 4 und thermische und mechanische Strukturen 24 und 39 zulässt, die mittlere parallel geschaltete Gruppe den gleichen Strom produziert wie die radialen Zellengruppen.
  • Der Vorteil der elektrischen Parallelsummierung wird quantitativ für eine spezifische Generatorausführungsform zur Verwendung mit einem kreisförmigen primären Spiegel in 18a, 18b, 18c und 18d erläutert. Es wurden Strahlenstatistiken verwendet, um die Abhängigkeit des photovoltaischen Stroms abzuleiten, der von jeder Zelle 15 für Strahlen empfangen wird, die unter diversen außenaxialen Winkeln einfallen. Die modellierte Anlage hatte einen kreisförmigen f/0,5-Parabolreflektor 1 und einen kritischen Winkel δ = 1,65°, die gleichen Parameter wie für die spezifische Ausführungsform, die in 16a bis 16h im Querschnitt abgebildet ist. Der Generator ist als drei Ringe aus jeweils zwanzig Zellen, jeweils wie in 13a gezeigt, modelliert. Die radiale Erstreckung, die von den drei Zellenringen abgedeckt wird, ist wie in 16a bis 16h gezeigt. Die Sonne wurde als eine gleichförmig emittierende Quelle mit einem Durchmesser von einem halben Grad modelliert. Die individuellen Ströme für alle sechzig Zellen wurden für diese axial angeordnete Quelle, und zwar bei außeraxialen Winkeln in Intervallen von 0,25°, von 0,5° bis 1,25°, berechnet.
  • Bei den in 18a, 18b, 18c und 18d gezeigten grafischen Darstellungen geben die sechzig Kreuze den Strom (senkrechte Achse) aus jeder der sechzig Zellen an. Der Strom wird als Funktion des Azimutwinkels (waagerechte Skala) eingezeichnet. Der Strom aus zwanzig Zellengruppen 15, die zusammen elektrisch verkabelt sind, wie schematisch in 17 angegeben, wird in dem in 18a, 18b, 18c und 18d dargestellten Histogramm gezeigt. Die über alle Photovoltaikzellen 15 gemittelte Leistung wird als waagerechte gestrichelte. Linie gezeigt. Alle Flüsse sind auf die axialen Werte normiert.
  • 18a, 18b, 18c und 18d bilden den Vorteil des radialen/parallelen elektrischen Anschlusses ab, wenn sich die Fehlausrichtungswinkel über die Hälfte des kritischen Winkels hinaus erhöhen. Z. B. in einem Fehlausrichtungswinkel von 1° (0,61 θc), wo sich der Durchschnitt aller Ströme (gestrichelte Linie) auf 94% reduziert, sind die individuellen Zellenströme von 45% bis 120% ihrer axialen Pegel breit verstreut, doch die radial gemittelten Ströme variieren über einen viel kleineren Bereich von nur etwa 85% bis 100%. Die Reihenschaltung der radialen Gruppen aus drei parallelen Gruppen erbringt somit eine Anlageleistung bei > 90% der axialen Leistung, und bis auf ein paar Prozent des Maximums, wenn jede Photovoltaikzelle 15 an ihrem maximalen Leistungspunkt betrieben wurde. Es ist zu beachten, dass in dem radial summierten Fall die Variationen der Intensität in einem bestimmten Fehlausrichtungswinkel eine Funktion hauptsächlich des Fokalverhältnisses des Primärreflektors f und θc ist und im Wesentlichen von der Anzahl der Zellenringe 15 abhängt.
  • Ausführungsform Typ Zwei mit radialer Mittelwertbildung zur Verwendung mit einem im Wesentlichen quadratischen Primärreflektor
  • Bei dieser Ausführungsform wird das Prinzip der radialen Mittelwertbildung zur Verbesserung der Fehlausrichtungstoleranz auf einen Generator 4 zur Verwendung mit einem Primärreflektor 1 wie in 1 abgebildet, angewendet, mit einer projizierten Eingangsöffnung in Form eines Quadrats mit abgeschnittenen Ecken. Bei dieser Ausführungsform stellt eine aufwändigere Kachelung der Empfangsoberfläche 9 Gruppen von Zellen 15 annähernd radialer Orientierung zur Parallelschaltung bereit. 19 bildet eine derartige bevorzugte Kachelung ab. Der primäre Spiegel 1, der auf die Empfangsoberfläche 9 abgebildet wird, ist in diesem Fall quadratisch mit abgeschnittenen Ecken, die 94% der gesamten Quadratfläche übriglassen. Bei dem abgebildeten Beispiel beträgt das Fokalverhältnis von einer Seite des Quadrats zur anderen gemessen f/0,5 und von einer abgeschnittenen Ecke zur anderen f/0,4. Bei dieser erläuternden Kachelung der Empfangsoberfläche werden radiale Gruppen passender optischer Gesamtleistung erreicht, indem der Abstand in Längsrichtung der Gruppen mit kürzerem Radius (bis zu den Mittelpunkten der Quadratseiten) breiter als für Gruppen mit längerem Radius (bis zu den Ecken) gemacht wird. Mit Bezug auf 19 bilden die Photovoltaikzellen auf den Kacheln 204, 205 und 206 eine Gruppe von Zellen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Die Photovoltaikzellen auf den Kacheln 207, 208 und 209 bilden eine Gruppe von Zellen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Ähnlich bilden die Photovoltaikzellen auf den Kacheln 210, 211, 212 und 213 eine Gruppe von Zellen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Somit ist die Gruppierung von Photovoltaikzellen für gleiche Leistung 204, 205, 206, 207, 208, 209 und 210, 211, 212 und 213. Im Wesentlichen wird die gleiche Leistung auch von den drei mittleren achteckigen Zellen 201, 202 und 203 erzeugt, basierend auf der Solarstrahlungsmenge, die an diese Zellen abgegeben wird. (Der vierte mittlere achteckige Bereich 200 ist nicht enthalten, und bevorzugt wird in diesem Bereich keine Photovoltaikzelle hergestellt, weil sie durch die Wärmerohranordnung 45 verdunkelt wird, wodurch ~1% der gesamten empfangenen Leistung verloren geht). Bei diesem Beispiel einer Konfiguration mit einer nicht kreisförmigen Symmetrie müssen sechzehn verschiedene prismatische Fenster 11, und Zellenformen 15 hergestellt werden, viermal so viele wie für die in 13a gezeigte kreisförmige Geometrie. Bei einer Produktion im sehr großen Rahmen sollte diese zusätzliche Vielfalt die Kosten nicht merklich steigern.
  • Es sollte ersichtlich sein, dass die oben gegebenen Beispiele für das Auskacheln der Empfangsoberfläche 9, die sich aus kreisförmigen und quadratischen abgeschnittenen Paraboloiden ergibt, rein erläuternd sind. Andere Kachelgeometrien, die eine zufriedenstellende Leistung bereitstellen, können gemäß den durch die obigen Beispiele erläuterten Prinzipien in Abhängigkeit von den Abmessungen der Empfangsoberfläche, die durch eine beliebige spezifische Konzentratorgeometrie hervorgebracht wird, erdacht werden. Es können Generatoren 4 konfiguriert werden, um konzentriertes Licht von Primärreflektoren 1, die sich bezüglich ihrer Größe, Form (z. B. sechseckig) und des Fokalverhältnisses des Paraboloiden 1 und des Verhältnisses F/b der parabolischen Brennweite unterscheiden, durch eine geeignete Wahl des Radius der sphärischen Linse 5 und der optimalen Größen und Konzentrationen der zu verwendenden Photovoltaikzellen 15 aufzunehmen. In jedem beliebigen spezifischen Fall werden Kachelungen bevorzugt, die radiale Gruppierungen bieten, die den gleichen Strom produzieren, wie bei den oben abgebildeten Beispielen.
  • Optimierung von Mehrfachzellen zur Verwendung mit Sekundärreflektoren
  • Die Photovoltaikzellen 15 für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die Sekundärreflektoren verwenden, werden bevorzugt für einen außergewöhnlich hohen Umwandlungswirkungsgrad optimiert, indem sie sowohl den Raum zwischen den Zellen 15 als auch die vorhersehbare, nicht isotrope Ausleuchtung, die von den Reflektoren bereitgestellt wird, nutzen. Die Optimierung minimiert ohmsche oder Joulesche Verluste trotz hoher Konzentration, indem sie die einzigartigen Ausleuchtungs- und geometrischen Kennzeichen der Erfindung nutzt. Die Zellen 15 werden auch bevorzugt spezifisch in Form von unterschiedlich großen Trapezoiden oder Polygonen angefertigt, um sich genau den trapezförmigen Ausgangsseiten der Sekundärreflektoren anzupassen.
  • 20 bildet die Merkmale einer Zelle 15 mit einer photovoltaisch aktiven Fläche 51 ab, die optimiert ist, um ohmsche Verluste zu minimieren. Ohmsche Verluste nehmen im Quadrat der Konzentration C zu, und für gut gekühlte Photovoltaikzellen 15 bestimmen diese Verluste die äußerste Grenze der Konzentration. Es wird eine Randsammelschiene 37 verwendet, die sich um den ganzen Umfang der Zelle 15 herum erstreckt, wobei der Raum genutzt wird, der durch die prismatischen Fenster 11 um alle Seiten der photovoltaisch aktiven Flächen angrenzender Zellen 15 geschaffen wird. Eine derartige Sammelschiene 37 über den ganzen Umfang wäre bei einer Zelle 15, die in einer eng untergebrachten Aufstellung verwenden wird, die ohne den Vorteil der prismatischen Fenster 11 dieser Ausführungsform gebaut wird (wie für die oben beschriebenen ersten Ausführungsformen der Erfindung), nicht erwünscht, da dies zu Lichtverlust führen würde. Sie ist jedoch für die Zellen 15 der vorliegenden Ausführungsform höchst bevorzugt, damit die dünnen Kontaktdrähte 70, die den Photovoltaikstrom über die Seite der Zelle 15 fahren, wie gezeigt angewinkelt sein und im rechten Winkel an die nächstgelegene der Sammelschienen 37 um alle Seitenränder der Photovoltaikzelle 15 herum angeschlossen werden können. Diese Konfiguration minimiert die durchschnittliche Drahtlänge und somit den Widerstand und den ohmschen Verlust der dünnen Drähte 70, welche die Kontaktdrähte 70 bilden, die schematisch über die photovoltaisch aktive Fläche 51 der Zelle 15 gezeigt werden. (In der Praxis wären die Gitterlinien enger beabstandet als es in der Abbildung gezeigt wird.) Die abgebildete Sammelschiene 37 und die Drahtkonfiguration werden insbesondere bevorzugt, um Joulesche Verluste bei dieser Ausführungsform zu minimieren, wobei die Intensität des Lichts in der Nähe der Ränder der photovoltaisch aktiven Flächen der Zellen 15 größer ist. Die Randaufhellung wird in 6b und 20 für eine axiale Ausleuchtung durch die Dichte der Schattierungspunkte gezeigt. Eine hellere Schattierung gibt die geringste Konzentration von den Rindern weg an, und eine dunklere Schattierung in den Ecken gibt die höchste Konzentration an, die auftrit, wenn Licht auf die Zellenoberfläche von beiden angrenzenden Seiten des prismatischen Fensters 11 reflektiert wird.
  • Unter diesen Ausleuchtungsbedingungen mit Randaufhellung (und entsprechender Mittelpunktverdunkelung) bewegt sich der Stromfluss von allen helleren Bereichen über eine kürzere Strecke an jedem Draht entlang bis zur Randsammelschiene 37. Daraus ergibt sich, dass die punktmäßigen Jouleschen oder ohmschen Verluste, die zu dem lokalen Strom zum Quadrat proportional sind, im Vergleich zu der typischen Zellenverkabelung mit parallelen Drähten, die zwischen nur zwei Sammelschienen an gegenüberliegenden Rändern der Zelle verlaufen, stark reduziert ist. Solche Zellen sind somit für die vorliegende Erfindung nicht optimal, für die neue Arten von Photovoltaikzellen 15 wie hier beschrieben bevorzugt werden.
  • Zur weiteren Reduzierung der ohmschen Verluste werden die Breiten und Höhen (Dicken) der verschiedenen dünnen, stromführenden Drähte 70 über die aktiven Zellenseiten und die Randsammelschienen 37 bevorzugt derart optimiert, dass sie die kombinierten Verluste durch Joulesche Wärme und optische Verdunkelung durch die Kontaktdrähte 70 minimieren. Die Drahtgitterelemente werden bevorzugt mit einem rechteckigen Querschnitt von schmaler Breite und ausgedehnter Höhe angefertigt, um eine Schattierung durch Licht, das von der angrenzenden, nach innen geneigten reflektierenden Oberfläche reflektiert wird, zu minimieren und gleichzeitig ohmsche Verluste zu minimieren. Die Schatten, die von Drähten in der Nähe der Sammelschienen 37 geworfen werden, sowohl durch direktes als auch durch randreflektiertes Licht, werden minimiert, da gemäß der vorliegenden Erfindung das von den Rändern weg reflektierte Licht im Allgemeinen in der Richtung der dünnen Finger des Metallgitters, das Strom zu den Umfangssammelschienen leitet, projiziert wird und somit wenig Schatten wirft. Somit können bevorzugte Zellenbauformen ein größeres als übliches Verhältnis von Drahtdicke zu Breite für reduzierte optische Verluste durch Drahtverdunkelung und Schattierung umfassen, ohne den ohmschen Verlust zu erhöhen. Eine derartige Bauformoptimierung ist für isotrop verteilte Einfallswinkel, die für konventionelle nicht abbildende Homogenisierungsvorrichtungen typisch sind, nicht möglich.
  • Zusammenfassend weisen Ausführungsformen des Typs Zwei mit Sekundärreflektoren in Form von flachen prismatischen Fenstern 11 das Potential auf, 10% Leistung oder mehr als die Ausführungsformen des Typs Eins zu erbringen, indem sie die lichtunempfindlichen Zwischenräume zwischen den Zellen 15 beseitigen. Das gesamte Potential der prismatischen Fenster 11 wird bevorzugt durch die Verwendung eines Köppelmittels zwischen der Rückseite des Fensters 12 und der Zelle 15 verwirklicht, um dielektrische Grenzverluste effektiv zu beseitigen und um Lichtverlust durch interne Totalreflexion an der Ausgangsseite 12 zu beseitigen. Geometrische Randbedingungen, die durch die interne Totalreflexion an der Ausgangsseite 12 festgelegt werden, werden nachstehend angegeben.
  • Die Parallelzusammenfassung radial orientierter Zellen 15, wie oben beschrieben, weist zwar das Potential auf, die Fehlausrichtungstoleranz zu verbessern, doch ist derzeit für Mehrfachzellen der Gesamtstrom in jeder parallelen Gruppe durch die Möglichkeit eines Durchschlags eventuell auf etwa zwanzig Ampere oder weniger beschränkt. Somit kann für eine Ausführungsform, wie in 13a gezeigt, mit zwanzig parallelen Gruppen die Gesamtleistung auf 1 kW beschränkt sein. Dies entspricht zwanzig radialen Gruppen, die jeweils auf einer Zellenspannung von 2,5 V und einem Strom von 20 A funktionieren. Somit würde ein Generator gemäß dieser Ausführungsform, wenn er derart beschränkt wäre, zur Verwendung mit einem Primärreflektor 1 mit einer Sammelfläche von mehr als 3 m2 ungeeignet, wenn man von einem 33%igen Gesamtumwandlungswirkungsgrad ausgeht. Größere Reflektorflächen können mit der Ausführungsform aus 13a untergebracht werden, wenn zukünftige Verbesserungen bei der Herstellung die Strombegrenzung für den Zellendurchschlag erhöhen. Alternativ kann ein leistungsstärkerer Generator 4 gebaut werden, indem eine größere Anzahl von schmaleren radialen Speichen verwendet wird.
  • Ausführungsformen Typ Drei
  • Ausführungsformen dieses Typs, die zur Verwendung mit quadratischen parabolischen Primärreflektoren 1 höchst bevorzugt werden, umfassen annähernd quadratische Sekundärreflektoren; wie in 5d und 6d abgebildet, die für die Gleichförmigkeit der Konzentration auf quadratischen Zellen 15 und zum Betrieb in der Nähe des Punktes der höchsten Gleichförmigkeit 300, wie in 7 gezeigt, optimiert sind. Sekundäre Reflektoren, die zu dem Bild an der Empfangsoberfläche eines quadratischen Primärreflektors 1 passen, werden bevorzugt in einem Kachelmuster aus nxn Feldern ausgelegt, das an jeder Kachel die gleiche Leistung erbringt, wie etwa das in 9b abgebildete Kachelmuster.
  • Das wesentliche Merkmal dieser Ausführungsform wird von 21 abgebildet, die eine Umsetzung mit. Sekundärreflektoren in Form tiefer prismatischer Fenster 11 zeigt. Die Reflexionsgeometrie wird derart gewählt, dass das randreflektierte Licht im Wesentlichen die gesamte Fläche einer Photovoltaikzelle 15 bedeckt. Dies wird durch eine wesentliche Erhöhung der Dicke der Fenster 11 kombiniert mit einer geeigneten Wahl der Seitenneigungswinkel 13 erreicht, so dass die Reflexion 7 von jedem der vier Ränder des prismatischen Fensters 11 die Mitte der Ausgangsseite 12 des Fensters 11 erreicht Das Ergebnis ist eine relativ hohe Gleichförmigkeit und eine Ausgangsseite 12 des Fensters 11, die etwas mehr als die Hälfte der Dimension der Eingangsseite 10 des Fensters 11 beträgt, und ein Konzentrationsanstieg um einen Faktor von ungefähr drei. In der Abbildung aus 21 sind die Zellen 15 auf Keramiksubstraten 20 in einer tragenden Gerüstrahmenstruktur 35 montiert und werden durch das Sieden der Flüssigkeit 22 gekühlt.
  • Die optischen und elektrischen Hauptelemente einer höchst bevorzugten Ausführungsform eines Generators 4 gemäß dieser Ausführungsform werden in der perspektivischen Ansicht von 22 ausführlicher gezeigt. Diese zeigt die Kugellinse 5, eine Mehrzahl von quadratischen Photovoltaikzellen 15, die hinter annähernd quadratischen Sekundärreflektoren angeordnet sind, die hier in Form von verspiegelten Rahmen 45 und Nebenschlussdioden 30 gezeigt werden. Alle anderen Strukturen werden in 22 der Übersichtlichkeit halber ausgelassen. Die sekundären konzentrierenden Reflektoren 45, die um die Empfangsoberfläche 9 herum gesetzt sind, reflektieren Strahlen von konzentriertem Sonnenlicht 3 zu den Photovoltaikzellen 15. Die Photovoltaikzellen 15 sind unmittelbar hinter den sekundären konzentrierenden Reflektoren 45 positioniert und wandeln die Solarstrahlung 3 in Elektrizität um. Die tiefen Sekundärreflektoren erfordern für die Gleichförmigkeit offene wesentliche Zwischenräume zwischen angrenzenden Photovoltaikzellen 15, wobei sich bei dieser Ausführungsform die Nebenschlussdioden 30 und die Zusammenschaltungsverkabelung in unmittelbarer Nähe befinden, ohne weder die optische Eingabe in die Zellen 15 noch ihre elektrischen und thermischen Ausgaben zu stören. Die Vielzahl von Photovoltaikzellen 15 ist elektrisch zusammengeschaltet, um die elektrische Leistung, die von jeder Zelle 15 produziert wird, in eine Gesamtelektrizitätsausgabe aus dem Generator 4 zu kombinieren. Die sekundären konzentrierenden Reflektorausgaben 46 sind bevorzugt konfiguriert, um Photovoltaikzellen 15 anzunehmen, die flach sind, wie bei dem abgebildeten Beispiel.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Sekundärreflektoren 45 in einem Generator 4, der mit einem quadratischen parabolischen Reflektor 1 zu verwenden ist, mit Eingangsöffnungen 47 angefertigt, die als die Unterteilungen der in 10b abgebildeten Empfangsoberfläche 9 gestaltet sind, wie die Bilder, die von der Kugellinse 5 aus identischen Quadraten, die auf den Reflektor projiziert werden, gebildet werden. Auf diese Art und Weise kacheln die sekundären Reflektoreingänge 47 die konkave Empfangsoberfläche 9 nahtlos aus, wobei sie untereinander Schneidkanten bilden, so dass das gesamte Licht, das an der Oberfläche 9 ankommt, in die eine oder andere derselben eindringt. Bei einer derartigen Kachelung sind die Eingänge 47 annähernd aber nicht genau quadratisch. Es werden zwanzig individuelle Reflektorarten, vier von jeder Art, für eine Anordnung von achtzig Sekundärreflektoren in einer 9 × 9-Aufstellung benötigt (wobei der mittlere fehlt). 23 zeigt im Detail die zwanzig verschiedenen Arten in Draufsicht. Um ihre Größenunterschiede und ihre geringfügigen Abweichungen von der quadratischen Symmetrie möglichst deutlich zu erläutern, sind die Reflektoren in 23 alle im gleichen Maßstab gezeichnet, wie sie erscheinen würden, wenn sie getrennt würden und nach oben gedreht ausgelegt würden, wobei die Zellen in der gleichen Ebene liegen und ihre Mittelpunkte sich auf einem regelmäßigen Quadratgitter befinden. (Eine vollständige Gruppe von achtzig Reflektoren würde abgebildet, indem man die in 23 abgebildete Gruppe in Neunzig-Grad-Intervallen um den mit O markierten Ursprung herum im Uhrzeigersinn verschieben würde.) Die Reflektoren 510 und 511, die unten links eingezeichnet sind, sind der optischen Achse am nächsten, während ein äußerer diagonaler Reflektor 544 oben rechts gezeigt wird. Die kleineren Quadrate, die innerhalb eines jeden Reflektors zentriert gezeigt werden, stellen die Ausgangsöffnungen 46 dar. Diese sind bevorzugt genau quadratisch angefertigt, um der quadratischen photovoltaisch aktiven Flache der ausgeleuchteten Zellen 15 zu entsprechen, die sehr geringfügig hinter den Ausgangsöffnungen 46 beabstandet eingesetzt sind. Jede der vier verspiegelten Oberflächen eines Sekundärreflektors ist somit geringfügig verwunden, um sich der geringfügig unquadratischen oberen Grenze und der genau quadratischen unteren Grenze präzise anzupassen, wie in 23 abgebildet. Auf Grund dieser geringen Verwindung ist das Muster der Ausleuchtung, die an die Zelle 15 abgegeben wird, gegenüber der Abbildung aus 6d geringfügig abgeändert. 24 bildet eine Berechnung des Ausgabeflusses des Sekundärreflektors 543 für eine axiale Ausleuchtung ab, wobei die Intensität durch die Punktdichte dargestellt wird. Die Standardabweichung des Ausgabeflusses an der Ausgangsöffnung 46 wird berechnet, um 16% zu betragen, nur geringfügig mehr als die 13%ige Standardabweichung für den Idealfall des quadratischen Eingangs und des quadratischen Ausgangs, der in 7 mit 300 markiert ist.
  • Einzelheiten einer spezifischen Ausführungsform des Typs Drei
  • Die perspektivischen Ansichten aus 25 und 26 zeigen die wichtigsten Strukturbauteile, die eine Ausführungsform nach 22 umgeben. 25 zeigt einen Generator 4, der zum Betrieb in der Nähe des Brennpunktes eines quadratischen parabolischen Primarreflektors 1 positioniert ist. 26 zeigt im Detail den Generator 4 aus
  • 25 innerhalb einer geschlossenen Einfassung 110, wobei einige Bauteile der Übersichtlichkeit halber im Schnitt gezeigt sind. Lichtstrahlen 3 von dem Primärreflektor 1 dringen in den Generator 4 durch das Fenster 101 in einen geschlossenen Hohlraum 110 ein, wo sich die Hauptelemente des Generators 4, die Kugellinse 5, sekundäre konzentrierende Reflektoren 45 und Solarzellen 15 befinden. Der Zweck des Eingangsfensters 101 ist es, die Oberfläche der Kugellinse 5 vor Verschmutzung durch Schmutzstoffe zu schützen, die durch das hoch konzentrierte Sonnenlicht, das auf die Kugel 5 fällt, aufgelöst oder entzündet werden könnten. Das Eingangsfenster 101 ist in einem Abstand zwischen 1/10 und 1/3 der parabolischen Brennweite von der Mitte der Kugel 5 entfernt positioniert, so dass die Konzentration von Sonnenlicht an der Fensteroberfläche in dem Bereich von 10 bis 100 liegt. Unter Ausnutzung des Schutzes, der durch die geschlossene Einfassung 110 geboten wird, sind die Kugel 5 und die innere Oberfläche des Eingangsfensters 101 bevorzugt mit Antireflexionsbeschichtungen nach Art eines spitz zulaufenden Index beschichtet. Solche Beschichtungen sind hoch effizient über das gesamte Solarspektrum, sind jedoch zerbrechlich, und wenn sie bloß gelegt würden, könnten sie durch flüchtige Bestandteile und wiederholte Reinigung beschädigt werden. In einer geschützten Umgebung, wie etwa derjenigen, die in 26 abgebildet ist, bleiben die Beschichtungen sauber und beschränken Reflexionsverluste, die über das Solarspektrum gemittelt werden, für jede der drei internen Oberflächen, auf die ein Strahl 3 trifft, der durch das Fenster 101 und die Kugellinse 5 geht, auf ungefähr 1%.
  • Die äußere Oberfläche des Fensters 101 ist bevorzugt mit einer robusten Antireflexionsbeschichtung aus einem harten dielektrischen Material beschichtet, um wiederholten Reinigungen standzuhalten. Das Fenster 101 wird bevorzugt aus einem verlustarmen Glas, wie etwa Schott B270, angefertigt. Unter diesen Voraussetzungen kann man davon ausgehen, dass die Übertragung nur durch das Fenster 101 ungefähr 97% und durch das Fenster 101 und die Kugellinse 5 zusammen ungefähr 94% beträgt. Das Fenster 101 wird bevorzugt mit einer hyperbolischen Gestalt angefertigt, so dass die Sonnenkraft, die von dem Fenster 101 reflektiert wird, die sich auf ungefähr 3% der Summe beläuft, die an den Generator 4 abgegeben wird, auf einen Brennpunkt in der Nähe des Scheitels des Primärreflektors 1 gelenkt wird. Eine Verlängerung des Generators 4 mit zusätzlichen Photovoltaikzellen 15 befindet sich dann in der Nähe des Scheitels, um aus diesem Licht zusätzliche Elektrizität zu gewinnen.
  • Das Eingangsfenster 101 weist bevorzugt eine quadratische Umfangsform auf, wie in 26 gezeigt, die groß genug ist, um nicht die axialen oder außeraxialen Strahlen 3 zu blockieren, die ansonsten zur Generatorausgabe beitragen könnten. Bevorzugt ist ein zweites Fenster 109 in der zur Sonne gewandten Seite der geschlossenen Einfassung enthalten, die den Generator 4 umgibt, um es den ankommenden Sonnenlichtstrahlen 2 zu erlauben, auf ihrem Weg zu dem Primärreflektor 1 nahe an dem Generator 4 vorbeizugehen. Die Struktur der geschlossenen Einfassung 110 umfasst im Wesentlichen quadratische Seitenwände 102, welche die beiden Fenster 109 und 101 verbinden, die weiß gemacht werden, um ein Überhitzen bei einer beliebigen Orientierung der Nachführeinrichtung zur Sonne zu verhindern. Die Seitenwände 102 der Einfassung 110 sind bevorzugt dünn und in Reihe mit der optischen Achse, um Schattenbildung zu minimieren. Die in 22 gezeigten Kernelemente des Generators werden von einem Flansch 103 darüber getragen, und die Seitenwände 102 werden ebenfalls von Lamellen 104 des Flansches 103 getragen. Der Flansch 103 wird bevorzugt von oben von einem axialen Stauchrohr 105 gehalten, wie in 25 gezeigt. Bei diesem Beispiel wird das Stauchrohr 105 durch gespannte dünne Flügeln 106 von Tragepunkten 107 außerhalb des Lichtwegs zu dem Primärreflektor 1 gehalten. Um die Erwärmung zu minimieren, wenn konzentriertes Sonnenlicht von dem Primärreflektor 1 schwer fehlgeleitet wird und auf eine Seite der Kugellinse 5 geht, wie in 16g und 16f abgebildet, wird die Kugellinse 5 bevorzugt von versilberten, hohlen, wassergekühlten Stützen 113 getragen, die in eine Rille 112 passen, die in die Kugel um eine Breitenlinie oberhalb ihres Äquators herum geschnitten ist. In 25 wird ein flüssiges Kühlmittel gezeigt, wie es an den Röhren 111 entlang gepumpt wird, die im Schatten der gespannten Stützen 106 liegen, um die gesamte Wärme von dem Generator weg zu einem Kühler 108 mit Zwangskonvektion zu führen, der außerhalb des primären Lichtwegs montiert ist.
  • Die Sekundärreflektoren 45 bei einer bevorzugten Ausführungsform werden als verspiegelte Rahmen mit einer dünnen Silberbeschichtung angefertigt, um das Reflexionsvermögen eines reflektierenden Substrats zu erhöhen Diese Beschichtung kann durch einen dünnen Film aus dielektrischem Material, wie etwa Siliziumdioxid oder Titandioxid, geschützt werden Die Silberbeschichtung wird bevorzugt auf einem glatten Substrat getragen, das bevorzugt durch Kopie von einem Dorn mit Hochglanzoberflächen angefertigt wird. Die Oberflächen des Dorns werden bevorzugt durch Reiben ohne Drehung in der Nähe der Mine einer verwundenen Überlappung feingeschliffen und poliert. Die Oberfläche quer über die x-y-Ebene der Polierüberlappung wird bevorzugt durch die Gleichung z = k(x2 – y2) bestimmt, wobei „k” entsprechend gewählt wird, um die richtige Verwindungsamplitude zu ergeben. Eine dünne metallische Kopie des Dorns, die durch Elektroformung angefertigt wird, kann auf ein passendes aufnehmendes geflanschtes Substrat durch Paaren der beiden Teile mit Klebstoff dazwischen übertragen werden. Typischerweise ist die Metallkopie nur wenige Mikrometer dick, und die Klebstoffdicke liegt bei ungefähr 10 Mikrometern, was ausreicht, um Dimensionsfehler bei dem Substrat aufzunehmen, die eine Lücke zwischen demselben und der Kopie verursachen. Wenn der Klebstoff ausgehärtet ist, wird das Substrat mit der befestigten Kopie entfernt. Sowohl der Klebstoff als auch das Substrat werden bevorzugt aus wärmeleitfähigen Materialien angefertigt.
  • 27 ist eine perspektivische Zeichnung, die einen Sekundäreflektor 45 mit einem eingebauten Montageflansch 120 im Detail zeigt. Eine ganze Aufstellung von Sekundarreflektoren 45 für einen Generator 4 wird aus individuellen kopierten Sekundärreflektoren zusammengebaut, die in einer konkaven Rahmenstruktur 122 mit Kühlrohren 123 installiert sind. Wärme aus dem Solarfluss, die von dem Sekundärreflektor 45 absorbiert wird, wird durch den Flansch 120 und in das Kühlmittel geleitet, das durch die Rohre 123 gepumpt wird. Der Reflektor wird mit einer Abschrägung 121 um die Eingangsöffnung herum angefertigt, um es angrenzenden Reflektoren zu ermöglichen, sich an einer Schneidkante zu treffen, um einen Verlust von Lichtstrahlen 7 zu vermeiden. Ein Reflektor 45 wird ebenfalls mit abgerundeten Rändern tun die Ausgangsöffnung 46 herum angefertigt, um eine elektrische Entladung zwischen dem Reflektor 45 und einer Zelle 15, die dicht dahinter beabstandet ist, zu vermeiden. Der Flansch 120 eines Reflektors 45 wird dazu gebracht, anhand eines thermischen Schnittstellenmediums (TIM) in einen Sitz 124 zu passen, der um ein annähernd quadratisches Loch 125 herum in der tragenden Rahmenstruktur 122 angefertigt wird. Die Struktur 122 zum Tragen und Kühlen einer konkaven Aufstellung von Sekundärreflektoren 45 für einen Generator 4 ist in der perspektivischen Zeichnung aus 28 abgebildet. Kühlflüssigkeit dringt durch das Rohr 126 ein, das in die Rohre 123 abzweigt, die an den Sekundärreflektoren 45 vorbeigehen, die in den Löchern 125 montiert sind. Das Kühlfluid 22 wird gesammelt und tritt durch ein Rohr 127 aus. Die vollständige sekundäre Reflektoranordnung wird bevorzugt als eine Struktur angefertigt, die von der gesamten konkaven Aufstellung gekühlter Zellen getrennt ist, wobei die Ausgänge 46 um weniger als 1 mm von den Zellen 15 beabstandet sind, und wird vom Rest des Generators 4 elektrisch isoliert und werden auf einem elektrischen Potential betrieben, das gleich dem durchschnittlichen Potential der Photovoltaikzellen 15 ist.
  • Bei einer alternativen Umsetzung werden die Sekundärreflektoren 45 als prismatische Fenster 11 bevorzugt aus Glas mit sehr niedriger Absorption angefertigt, wodurch ein Erwärmen durch das Licht, das sie übertragen und reflektieren, vermieden wird. Da Glas auch elektrisch isolierend ist, können prismatische Fenster 11 mit berührenden Eingangsseiten 47 individuell an den Seiten der Zellen 15 durch ein Indexanpassungs-Verbindungsmaterial angebracht werden. Dieser Lösungsansatz ergibt möglicherweise einen höheren Durchsatz, doch die Herstellung und Montage von prismatischen Fenstern 11 aus einem hoch durchlässigen, brechenden Material mit verwundenen, polierten Seiten könnten sich als kostspielig erweisen. Auch könnte die Indexanpassungs-Verbindung bei dem gewünschten hohen Konzentrationsniveau keine ausreichend lange Lebensdauer aufweisen.
  • Eingekerbte Empfängeranordnungen für konkave Kachelung
  • Eine bevorzugte Ausführungsform dieses dritten Typs nutzt die relativ breiten Zwischenräume, die zwischen den Photovoltaikzellen 15 durch die relativ tiefen Sekundärreflektoren 45 geöffnet werden, um die Nebenschlussdioden 30 neben den Zellen 15 anzuordnen, wie in 22 abgebildet. Der Raum wird vorteilhaft auf zwei Arten verwendet. Eine besteht darin, die Gesamtgröße einer Zelle 15 zu erhöhen, um ihre Leistung zu verbessern, indem Sammelschienen 37 auf allen vier Seiten bereitgestellt werden und dadurch die ohmschen Verluste, die innerhalb der Zelle 15 bei hoher Konzentration vorliegen, minimiert werden, wie nachstehend beschrieben wird. Eine andere besteht dann, den Raum zu verwenden, um die elektrische Montage durch die Verwendung kleiner vormontierter ebener Empfängeranordnungen 78, die jeweils eine Zelle 15 und bis zu zwei Nebenschlussdioden 30 neben der Zelle 15 tragen und durch eine einseitige gedruckte Schaltung angeschlossen sind, zu vereinfachen. Die individuellen Empfängeranordnungen 78 sind speziell mit Laschen, um Nebenschlussdioden 30 zu tragen, und Einkerbungen, um Platz für die Laschen von Nachbarn zu machen, gestaltet, so dass sie in einer ganzen konkaven Empfängeraufstellung hinter der konkaven Aufstellung von Sekundärreflektoren 45 eng zusammenpassen, wie in 29 abgebildet. Eine perspektivische Ansicht von acht Empfängeranordnungen 78, die hinter einer Reihe von acht Sekundärreflektoren 45 über die gesamte Breite der Empfangsoberfläche angeordnet sind, wird in 30 abgebildet. Einzelheiten einer einzigen Empfängeranordnung 78 werden perspektivisch in 31 gezeigt. Eine Photovoltaikzelle 15 und ihre angrenzenden Nebenschlussdioden 30 werden auf einer einfachen, flachen, wärmeleitfähigen einseitigen Leiterplatte 80 getragen, wobei die Schaltung aus Direktverbindungskupfer 17 und 18 auf einem Keramiksubstrat gebildet wird. Die Zelle 15, die Dioden 30 und die Zusammenschaltungsleitung 85 sind an der Leiterplatte 80 durch Löten angebracht. Strom von den Zellensammelschienen 37 wird zu den Spuren 18 durch Zusammenschaltungen 19 geführt. Eine Empfägeranordnung 78 für diese Ausführungsform der Erfindung umfasst bevorzugt eine Reihe von besonderen Merkmalen:
    • – Um unter den geometrischen Randbedingungen, die von den Sekundärreflektoren 45 festgelegt werden, zusammenzupassen, wird jede Anordnung 78 mit einer aktiven Fläche angefertigt, die mehr als 3mal so groß ist wie die aktive Fläche der Photovoltaikzelle 15, die sie trägt.
    • – Die Anordnungen 78 werden mit Laschen 81, um bis zu zwei Nebenschlussdioden 30 zu tragen, und mit Einkerbungen 82, so dass sie mit ihren Nachbarn eng zusammenpassen können, versehen.
    • – Um auf der gekrümmten konkaven Oberfläche zusammenzupassen, werden Empfängeranordnungen 78 mit der gleichen allgemeinen Form aber in verschiedenen Größen wie die Zellen 15, die sie tragen, angefertigt.
    • – Jede Anordnung wird bevorzugt mit elektrischen Anschlüssen angefertigt, die an allen vier Ecken 83 und 84 verfügbar sind, wobei diagonal gegenüberliegende Ecken auf dem gleichen Potential liegen. Durch die Wahl der geeigneten beiden Ecken auf jeder Anordnung 78 werden nur sehr kurze Anschlüsse mit sehr niedrigem Widerstand benötigt, um die Reihenschaltung zwischen Photovoltaikzellen 15 herzustellen, indem jeweils eine der Ecken 83 und 84 einer Zelle 15 mit den anstoßenden Ecken der Nachbarzellen 15 verbunden wird.
    • – Jede Anordnung 78 wird mit vier Montagelöchern 86, eines in jeder Ecke, bereitgestellt.
  • Weitere Einzelheiten einer Empfängeranordnung 78 und einer Herstellungssequenz ergeben sich mit Bezug auf die in 32 gezeigte auseinandergezogene Ansicht. Die untere Ebene zeigt ein Schaltungssubstrat 80, das aus Keramik, wie etwa Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid, angefertigt wird und der Schaltungsseite zugewandt ist, wobei Spuren aus Direktverbindungskupfer (DBC) angefertigt werden. Die auf die Spuren zu lötenden Elemente sind die Konzentrator-Photovoltaikzelle 15 und die Nebenschlussdioden 30, die auf der oberen Ebene gezeigt werden, und die Überbrückung, die durch die elektrischen Anschlüsse 83, 84 und 88 bereitgestellt wird, die auf der mittleren Ebene gezeigt werden. Das Substrat 80 wird als Quadrat mit rechteckigen Laschen 81, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten vorstehen, und mit rechteckigen Einkerbungen 82, die in die beiden anderen Seiten eingeschnitten sind, gestaltet. Die Laschen 81 und Einkerbungen 82 sind derart konfiguriert, dass die Substrate 80 wie Puzzle-Teile in einem konkaven Schachbrettmuster zusammenpassen, wie in 29 abgebildet. Die DBC-Kupferspur 17, deren quadratische Mine unter der Zelle 15 liegt, erstreckt sich in zwei gegenüberliegende Ecken 89 des Substrats 80. Zwei geätzte Teilungslinien 87 trennen die Kontraktfläche der Zellenbasis 17 elektrisch von zwei L-förmigen Randspuren 18, die sich bis zu den beiden anderen Ecken 88 des Substrats 80 erstrecken. Die beiden L-förmigen Spuren 18 umgeben weitgehend die quadratische Zellenbasis 17 und werden von einer niederohmigen Brücke 85 elektrisch angeschlossen, die an jedem Ende gelötet ist, um die Ecken 88 anzuschließen. Die Nebenschlussdioden 30 werden auf das Substrat gelötet, um die Basis 17 und die L-förmigen Spuren 18 elektrisch zu überbrücken. Die Kupferstreifen 83 und 84 werden jeweils an die Ecken 89 und 88 gelötet, um die Reihenschaltungen zwischen den Photovoltaikzellen 15 herzustellen. Die positiven und negativen Ausgänge der Photovoltaikzelle 15 sind beide an zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken verfügbar. Die Löcher 86 werden durch alle vier Ecken des Substrats 80 hindurch und durch die gelöteten elektrischen Anschlüsse 83, 84 und 88 hindurch zur mechanischen Anbringung bereitgestellt. Bevorzugt werden alle Elemente der Empfängeranordnung 78, die in der auseinandergezogenen Ansicht aus 32 gezeigt werden, in einem Wärmezyklus, bevorzugt mit eutektischem Silber-Zinn-Lot, zusammengelötet. Die geschweißten Zusammenschaltungen 19 werden anschließend zwischen den Zellensammelschienen 37 und den L-förmigen Spuren 18 hergestellt, um die Empfängeranordnung 78 fertigzustellen.
  • Einzelheiten der Anbringung der Empfängeranordnungen 78 an einer facettierten Kupfermuschel 90 und der elektrischen Reihenzusammenschaltung zwischen zwei Anordnungen 78 werden in 33 im Querschnitt und in 34 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Jede Empfängeranordnung 78 wird an einer tragenden facettierten konkaven Kupfermuschel 90 durch Schrauben 92 befestigt, die durch die Ecklöcher 86 und in Gewindesacklöcher 95 gehen. Damit Wärme über den Zwischenraum zwischen dem Substrat 80 und der Muschel 90 geleitet wird, wird der Zwischenraum mit einem thermischen Schnittstellenmedium (TIM) 91, wie etwa mit Silber angereichertes Fett, gefüllt. Die Schrauben 92 üben eine Axialkompression auf die Empfängeranordnung 78 und das TIM 91 durch Unterlegscheiben 93 und ein biegsames Elastomermaterial oder durch ein anderes elastisches Element, wie etwa eine Tellerfeder, aus. Elastomerisolierscheiben 94 dienen dazu, die Empfängeranordnung 78 zu zwingen, bei wiederholter Temperaturwechselbeanspruchung die eine seitliche Scherbewegung zwischen der Empfängeranordnung 78 mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Kupfermuschel 90 mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten verursacht, zentriert zu bleiben. Sobald die Empfängeranordnungen 78 festgeschraubt sind, werden die Reihenschaltungen zwischen angrenzenden Empfängeranordnungen 78 durch Löten zwischen einem Paar Streifen 83 und 84 hergestellt. Die gebogene Form der gelöteten Streifen 83 und 84 stellt eine Dauerfestigung gegenüber einer Differentialausdehnung zwischen angrenzenden Empfängerplatten bereit. 35 ist ein schematisches Schaltbild, das zeigt, wie eine Reihenschaltung von achtzig Empfängeranordnungen 78 einfach durch Löten angrenzender Streifen (unter Hinzufügung eines Drahts über die fehlende mittlere Anordnung) hergestellt werden kann.
  • Die konkave Kupferschale 90, an der die Empfängeranordnungen 78 angebracht sind, wird bevorzugt mit flachen Facetten 97 gefertigt, die gestaltet sind, um die individuellen Anordnungen 78, wie in 36 gezeigt, aufzunehmen. Die Facetten 97 sind jeweils mit vier Gewindesacklöchern versehen, um die Empfängeranbringungsschrauben 92 aufzunehmen, welche die Empfängeranordnungen 78 in der richtigen Orientierung und Position halten, um den konzentrierten Fluss zu empfangen, der von den Ausgangsöffnungen 46 der Sekundärreflektoren 45 abgegeben wird. Ein bevorzugtes Verfahren zum Kühlen der Schale 90 bei dieser Ausführungsform erfolgt durch eine Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit 22, die von einer Pumpe bis zu einem Kühler 108 umgewälzt wird, wie in 25 abgebildet. Um die thermische Kopplung aus dem Kupfer zu verbessern, wird die Fläche der Kontaktoberfläche unmittelbar hinter den Photovoltaikzellen 15 vergrößert, indem sie zu eng beabstandeten Merkmalen, wie etwa Rippen oder Stifte, nach Art einer Wärmesenke gebildet wird, und die Kühlflüssigkeit 22 wird gezwungen, durch diese Merkmale zu fließen.
  • Toleranz gegen Fehlausrichtung
  • Für einen bestimmten Primärreflektor 1 und eine bestimmte Konzentration an den Photovoltaikzellen 15 kann die Toleranz gegen Fehlausrichtung oder im Allgemeinen gegen fehlgelenkte Strahlen 3 von dem Primärreflektor 1 für Generator-Ausführungsformen dieses dritten Typs mit tiefen Sekundärreflektoren 45 und nicht zusammengefassten Zellen mindestens so gut sein wie für Ausführungsformen mit flachen Sekundärreflektoren 45 und radial zusammengefassten Zellen (Typ Zwei).
  • Die beiden Typen werden in den Strahlendiagrammen aus 37a, 37b, 37c und 37d verglichen. Alle sind im gleichen Maßstab gezeichnet, mit Strahlen 3 von dem gleichen f/0,5-Paraboloiden 1. 37b und 37d stellen Licht dar, das in dem gleichen außeraxialen Winkel einfällt und an die gleich großen Photovoltaikzellen 15 in annähernd der gleichen durchschnittlichen Konzentration für Strahlen aus einer bestimmten radialen Entfernung auf dem Primärreflektor 1 abgegeben wird. Bei den tieferen Sekundärreflektoren 45, die in 37c und 37d als tiefe prismatische Fenster 11 gezeigt werden, wird, weil der Konzentrationsanstieg C2, der von den Sekundärreflektoren 11 vorgenommen wird, größer ist, die gleiche gesamte Anlagekonzentration beibehalten, indem die Konzentration an dem Fenstereingang 10, die durch das Erhöhen des Radius der Kugellinse 5 erreicht wird, proportional verringert wird.
  • Die Beschaffenheit des Kompromisses zwischen diesen beiden Strategien ist mit Bezug auf 37a, 37b, 37c und 37d besser zu beurteilen. Für die gleiche gesamte Konzentration an den Photovoltaikzellen 15 weist die Anlage mit den dickeren Fenstern 11 auf Grund der Kugellinse 5 mit größerem Durchmesser eine höhere Toleranz gegen eine Fehlausrichtung auf – der kritische Winkel θc wird proportional zum Durchmesser der Kugellinse 5 erhöht. Somit sind in der Abbildung der Durchmesser der Kugellinse 5 und θc für 37c und 37d beide um 30% größer als für 37a und 37b, und θc erhöht sich proportional. Die weiteren Vorteile für dickere Fenster 11, die bereits erwähnt wurden, sind der zusätzliche Raum für Anschlüsse zwischen den Photovoltaikzellen 15 und die hohe Gleichförmigkeit der Konzentration über die Zellen 15 hinweg. Diese verbesserte Leistung erfolgt jedoch auf Kosten einer um 30% größeren und somit teureren sphärischen Kugellinse 5.
  • Ausführungsformen Typ Vier
  • Bei dieser alternativen Ausführungsform ist ein Generator 4 ähnlich wie bei den bevorzugten Ausführungsformen mit prismatischen Fenstern 11, wie oben beschrieben, außer dass die Fenster 11, welche die Empfangsoberfläche mit den Photovoltaikzellen 15 koppeln, in der Dicke ausgedehnt sind, um in Wirklichkeit Lichtleiter zu werden. 38a und 38b sind Strahlendiagramme, welche die optischen Schlüsselelemente eines Generators 4, einer Kugellinse 5, von Lichtleitern 11 zeigen, mit Strahlen 3, die sich durch die Lichtleiter 11 hauptsächlich durch mehrfache interne Reflexionen verbreiten. Die Lichtleiter 11 formatieren das bereits gleichförmige Licht an der Empfangsoberfläche 9 neu. Das Licht dringt in die Lichtleiter 11 durch Eingänge 10 ein, die annähernd trapezförmige oder andere vieleckige Formen aufweisen, wie es notwendig ist, um die Empfangsoberfläche 9 nachtlos auszukacheln. Das Licht tritt durch rechteckig oder quadratisch geformte Ausgangsfenster 12 hervor. Die Ausgänge sind darauf abgestimmt, der photovoltaisch empfindlichen Fläche der rechteckigen Zellen 15 (nicht gezeigt) zu entsprechen, die sich unmittelbar hinter den Ausgangsfenstern 12 befinden. Bevorzugt sind die Formen der Eingangsöffnungen 10 an der Empfangsoberfläche 9 derart formatiert, dass alle Leiter 11 die gleiche Leistung empfangen, die sich dann bis zu Ausgangsöffnungen 12 verbreitet, die alle die gleiche Größe und Form aufweisen. Bevorzugt sind die Ausgangsöffnungen 12 quadratisch oder rechteckig, um die Herstellung praktisch und die Photovoltaikzellen 15, die in sehr großer Nähe zu den Ausgangsfenstern 12 angeordnet sind, effizient zu machen. Eine derartige Neuformatierung erfordert, dass das erweiterte Fenster 11 mit einigen seiner Seiten verwunden konstruiert wird. Erweiterte Lichtleiter 11 mit mehrfachen Reflexionen sorgen für eine adiabatische Lichtverbreitung. Der Bereich der Einfallswinkel an der Ausgangsoberfläche zu der Photovoltaikzelle 15 ist ungefähr gleich θs√4C/n für die Sonne auf der Achse, und (θs + θoff)√C/n für die Sonne außerhalb der Achse. Dabei ist θs der Radius der Sonnenscheibe und θoff der außeraxiale Winkel der Sonne, und „n” ist der Brechungsindex des Lichtleiters 11.
  • 38a und 38b stellen ein Beispiel einer Bauform für einen Generator 4 dar, der eine Konzentration von 1000 erreicht, und für einen Betrieb mit einem kreisförmigen parabolischen Primärreflektor 1 mit sehr kurzer Brennweite, f/0,4. Die Empfangsoberfläche 9 wird in 336 nahezu trapezförmige Segmente gleicher Leistung unterteilt, die dem in 9b gezeigten Kachelmuster entsprechen. Die Längsschnitte werden gezeigt, wie sie durch einen Generator 4 mit länglichen Lichtleitern 11, die das Licht an den Ausgangsöffnungen 12 neu formatieren, vorgenommen werden, um identische quadratische Photovoltaikzellen 15 (nicht gezeigt, unmittelbar hinter 12) mit gleichförmiger Ausleuchtung auszuleuchten. 38a zeigt Einzelheiten von Strahlen 3 aus einer axialen Quelle, die sich durch die Anlage verbreiten. 38b ist die gleiche Ansicht jedoch mit ankommenden Strahlen 3 aus einer außeraxialen Quelle. Die Anlage ist mit einer Kugellinse 5 konfiguriert, die einen kritischen Fehlausrichtungswinkel θc = 1,9° erbringt, und die geometrische Konzentration C aus der Kombination der Neuabbildung durch die Kugellinse 5 und die Lichtleiter 11 wird gegeben durch C = C1C2 = 1180 bestimmt. In diesen Diagrammen werden die Strahlen 3, die in den parabolischen Primärreflektor 1 der Anlage von der Sonne aus eindringen, modelliert, wie sie aus einer gleichförmigen „Zylinderhut”-artigen Winkelverteilung kommen, die sich außerhalb der Sonnenmittenrichtung bis zu einem 1/4°-Radius (θc) erstrecken und räumlich zufallsmäßig über die gesamte Fläche des Primärreflektors 1 verteilt sind. 38a ist für eine axiale Ausleuchtung; und 38b ist für eine außenaxiale Sonne in einem Winkel von 1° oder 0,53 θc. In diesen Figuren ist die Intensität der Lichtausgabe aus einem Lichtleiter 11 durch die Anzahl der Strahlen dargestellt, die an diesem Lichtleiter 11 entlang reflektiert werden. Für dieses Beispiel einer Anlage, die eine sehr kurze Brennweite aufweist, ist die Ausleuchtung in den meisten Lichtleitern 11 für die außeraxiale Ausleuchtung unter etwas mehr als 0,5 des kritischen Winkels relativ unverändert. Zwei spezifische Lichtleiter werden zum Zwecke der Erläuterung in 38b mit den Bezugszahlen 140 und 142 identifiziert. Wie in 38b ausführlich gezeigt wird, ist die Ausleuchtung für den Lichtleiter 140 auf der äußersten rechten Seite gering, und die Ausleuchtung für den Lichtleiter 142 liegt über der Norm.
  • Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass alle Photovoltaikzellen 15 gleich groß angefertigt werden können, und die Photovoltaikzellen 15 auf Grund der Länge der Lichtleiter 11 gut beabstandet sind, was elektrische und thermische Aspekte bei der Zellenmontage vereinfacht. Ein anderer Vorteil ist, dass eine gleichförmige Ausleuchtung der Zellen 15 durch den Effekt mehrfacher Reflexionen auf die Ausbreitung an den Lichtleitern 11 entlang sichergestellt wird. In der Praxis sollten die Lichtleiter 11 auf Grund ihrer Länge im Vergleich zu den Sekundärreflektoren 45 in früheren Ausführungsformen aus Quarzglas oder Glas mit besonders geringer Solarabsorption angefertigt werden, um Leistungsverlust und Überhitzen durch Absorption des konzentrierten Lichts zu minimieren.
  • Die Kachelgeometrie aus 9b ist nur ein Beispiel, das zur Verwendung mit den Lichtleitern 11 geeignet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die in 37b abgebildete Ungleichförmigkeit weitgehend durch das Auskacheln der äußeren Teile der Empfangsoberfläche 9 mit Lichtleitern 11 abgeschwächt werden, deren Eingangsöffnungen in Form von schmalen radialen Scheiben gestaltet sind, deren Radius tief genug ist, um außeraxiale Lichtstrahlen von dem Rand der Empfangsoberfläche 9, die dem Lichtleiter 140 in 38b entspricht, anzunehmen, jedoch auch um Licht aus dem Bereich mit erhöhtem Fluss anzunehmen, wie es der Lichtleiter 142 in 38b darstellt. Auf diese Art und Weise wird die radiale Mittelwertbildung zum Verbessern der Fehlausrichtungstoleranz, die durch die Parallelschaltung mehrerer Zellen 15 erreicht wird, wie in 17 abgebildet, stattdessen durch radiale Mittelwertbildung innerhalb eines Lichtleiters 11 erreicht. Die Ausgabe der Lichtleiter 12 wird auf eine für die Photovoltaikzelle 15 kompaktere und zur Verwendung von Empfängeranordnungen 78 praktischere Form mit Nebenschlussdioden 30 in einem Ring, der sich außerhalb des Umfangs der ausgeleuchteten Empfangsoberfläche 9 befindet, neu formatiert. Eine derartige Kachelung der Empfangsoberfläche 9 kann für Generatoren 4 konfiguriert werden, um mit quadratischen und sechseckigen sowie kreisförmigen Primärreflektoren 1 zu funktionieren.
  • Generatorbauformprinzipien
  • Ein Generator 4 gemäß der vorliegenden Erfindung kann zur Verwendung mit konzentriertem Licht ausgelegt werden, das von einem beliebigen vorgegebenen Primärreflektor 1 abgegeben wird. Zum optimalen Betrieb ist es notwendig, dass die Kugellinse 5 innerhalb des Generators 4 und die Konfiguration der Photovoltaikzellen 15 und der Sekundärreflektoren 45, soweit vorhanden, derart ausgewählt werden, dass die gewünschte Konzentration verwirklicht wird und sich die Zellen 15 an das Bild des Primärreflektors 1 anpassen, das durch die Kugellinse 5 gebildet wird. Sowohl die Form des Bildes als auch die Energieverteilung darüber müssen angepasst werden. In diesem Abschnitt werden die Beziehungen bereitgestellt, die notwendig sind, um eine derartige Anpassung zu optimieren. Die Beschaffenheit des konzentrierten Lichts an der Empfangsoberfläche für eine bestimmte Kugellinse hingt mit den Eigenschaften des Primärreflektors zusammen. Zudem werden die Beziehungen erklärt, um die Sekundärreflektoren zu optimieren.
  • Optimierung und Bauform einer Kugellinse für einen bestimmten Primärreflektor
  • Auf Grund des breiten Abbildungswinkels, der durch die Kugellinse 5 bereitgestellt wird, ist die Konzentrationsänderung mit zunehmendem Abstand von der Mitte der Empfangsoberfläche 9 nicht mit dem Radius konstant. An einem bestimmten Punkt auf der Empfangsoberfläche 9 kann die Konzentration unter Berücksichtigung von 44 berechnet werden, welche, ein Reflexionsdetail von einem kleinen Bereich des Primärreflektors 1 am Radius r von der Achse aus zeigt. Die axialen Solarstrahlen 2 fallen an dem Reflektor 1 ein und sind innerhalb des Bereichs 57 eingeschränkt, der zu der Achse senkrecht ist, die um den Punkt „P” des Reflektors 1 zentriert ist und eine projizierte Fläche DA aufweist. Die Strahlen 2 werden in Richtung auf den Brennpunkt 28 als Strahlen 3 reflektiert. Vom Brennpunkt 28 aus zurückblickend sieht es aus, als ob die Strahlen aus der kleinen Flache 58 stammen, die das reflektierte Bild der einfallenden Fläche 57 ist. Dieses Bild ist ebenfalls in der Oberfläche 9 in Punkt „P” zentriert, ist senkrecht zu den Strahlen 3 und weist die gleiche Fläche DA aus wie die Fläche 57.
  • Mit Bezug auf 8 und 11 ist das Bild der Fläche 57, die durch die Kugellinse 5 auf der Empfangsoberfläche 9 gebildet wird, größenmäßig durch das Entfernungsverhältnis PC/CS reduziert, und weist somit die Fläche dA gleich DAx(PC/CS)2 auf Der Konzentrationsfaktor C1. wird ist einfach durch DA/dA = (PC/CS)2 gegeben. Aus dem Satz des Pythagoras folgt PC2 = r2 + (F – r2/4F)2 und CS = b, somit:
    Figure 00610001
    wobei „F” die Brennweite des Paraboloiden 1 und „b” der Radius der Empfangsoberfläche 9 ist, die um den Brennpunkt 28 des Paraboloiden konzentrisch ist. Daraus ergibt sich, dass die Konzentration mindestens in der Mitte der Oberfläche (r = 0) ist, wobei C = (F/b)2. F/b muss groß sein, um eine hohe Konzentration an der Empfangsoberfläche 9 zu erreichen, z. B. C1center = 625 für F/b = 25. Es ist zu beachten, dass da r/F = 2tan(θ/2), die Gleichung (9) wie folgt umgeschrieben werden kann:
    Figure 00610002
  • Im Prinzip könnte ein Generator 4 mit hoher Konzentration zur Verwendung am Brennpunkt 28 eines langen Paraboloiden 1 mit einem großen Fokalverhältnis f (f = F/D >> 1) durch die Verwendung einer sphärischen Linse 5 mit großem Radius gebaut werden. Eine derartige Anlage würde eine nahezu gleichförmige Konzentration über eine im Wesentlichen flache Empfangsoberfläche 9 ergeben. Für eine praktische Anlage ist der Durchmesser der Kugellinse 5 jedoch bevorzugt so klein wie möglich im Vergleich zu der Breite oder dem Durchmesser des Paraboloiden 1, um die Masse der Kugellinse 5 und somit die spezifischen Kosten von Quarzglas pro Einheit der Solarsammelfläche für die Anlage zu minimieren. Angesichts der Tatsache, dass das Verhältnis F/b durch die gewünschte Konzentration festgelegt wird, kann das Verhältnis des Durchmessers der Linse 5 zum Durchmesser des Paraboloiden 1 nur unter Verwendung eines Paraboloiden mit kleinem Fokalverhältnis f = F/D reduziert werden.
  • Die Bedingung eines kleinen Fokalverhältnisses führt die Bauform des Generators 4 in zwei wichtige Richtungen. Erstens gibt es einen bedeutenden Konzentrationsunterschied über die Empfangsoberfläche 9, da das Verhältnis von Randkonzentration zu Mittenkonzentration aus Gleichung (1) nur von f abhängt und bestimmt wird durch:
    Figure 00620001
  • Die Konzentrationsverhältnisse von Rand zu Mitte werden für die parabolischen Fokalverhältnisse f/10,4 bis f/10,6 in Tabelle 1 angegeben. Da zweitens ein schnelles Paraboloid 1, wie es von seinem Brennpunkt 28 aus gesehen wird, einen breiten Winkel begrenzt, muss eine Feldlinse 5 über ein breites Sehfeld abbilden. Diese Notwendigkeit wird vorteilhaft durch die Wahl des Abbildungssystems erfüllt, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird eine Kugellinse 5, die auf eine tief eingedrückte konzentrische sphärische Oberfläche 9 fokussiert – weil dieses Abbildungssystem eine einzigartig leistungsstarke Abbildungslösung für parabolische primäre Kollektoren 1 mit schnellen Fokalverhältnissen bis zu f/0,4 bereitstellt. Bevorzugt weist der primäre parabolische Reflektor 1 ein Fokalverhältnis in dem Bereich von f/10,4 bis f/110,6 auf. Der gesamte Feldwinkel im Brennpunkt 28 ist gleich 2tan–1{1/(2f(1 – 1/16f2)} und ist ebenfalls in der Tabelle 1 aufgeführt. In 3 und 4 weist das abgebildete Paraboloid 1 ein Fokalverhältnis f/0,5 auf, für das die Konzentration um einen Faktor von 1,56 von der Mitte zum Rand zunimmt, und der gesamte Feldwinkel 106° beträgt. Es ist zu beachten, dass für die parabolischen Primärreflektoren 1 bei einigen Ausführungsformen, die nicht kreisförmig sind, wie etwa diejenigen, die in 1 und 25 gezeigt werden, das Konzentrationsverhältnis und der Feldwinkel um den Empfangsoberflächenumfang herum nicht konstant sind, sondern Funktionen des Azimutwinkels sind.
    Tabelle 1
    f C1edge/C1center Ganzfeldwinkel
    0,4 1,93 128°
    0,5 1,56 106°
    0,6 1,38 90°
  • Um die optische Absorption in der Kugelfeldlinse 5 zu minimieren, ist das bevorzugte Brechungsmaterial, das für die Kugellinse 5 verwendet wird, Quarzglas mit einem geringen OH-Gehalt, z. B. elektrisch geschmolzener natürlicher Quarz. 39b ist eine grafische Darstellung, welche die Spektralintensität von Solarstrahlung nach dem Durchgang durch die Erdatmosphäre zeigt. 39a ist eine grafische Darstellung, welche die Absorption als Funktion der Wellenlänge des elektrisch geschmolzenen natürlichen Quarzes abbildet. Diese beiden grafischen Darstellungen zeigen, dass der Absorptionskoeffizient von elektrisch geschmolzenem natürlichen Quarz unter 10–4/cm aus dem gesamten Empfindlichkeitsbereich der Mehrfachzellen 15 für Solarstrahlung, die nicht von der atmosphärischen Absorption blockiert wird, liegt. Die Absorption dieses Materials ist über das gesamte Solarspektrum gering genug, um ein Überhitzen einer Kugellinse 5 zu vermeiden, die bei den hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen verwendet wird. Zusätzlich zu einer geringen Absorption weist das Quarzglas auch eine geringe chromatische Dispersion auf, die wünschenswert ist, um chromatische Unterschiede bei der Konzentration zu vermeiden, die ansonsten den Wirkungsgrad von Mehrfachzellen 15 reduzieren könnten. Die Verwendung von geschmolzenem natürlichen Quarz ist mit dem wesentlichen Ziel geringer Gesamtkosten vereinbar, vorausgesetzt, dass die Generatoren 4 mit Primärreflektoren 1 verwendet werden, die ein schnelles Fokalverhältnis und eine mäßige Öffnung aufweisen, wenn die Masse der Kugellinse 5 pro Eingangsflächeneinheit der Solarenergie relativ gering ist.
  • Der Brechungsindex von Quarzglas ändert sich über das Solarspektrum von 1,470 bei einer Wellenlänge von 400 nm auf 1,444 bei 1550 nm. Angesichts dieses Bereichs für eine sphärische Kugellinse 5 aus Siliziumdioxid und für eine sphärisch gekrümmte Empfangsoberfläche 9, die zu der Kugellinse 5 konzentrisch ist, ist das bevorzugte Verhältnis des Radius, das durch die Variable „b” dargestellt wird, zu dem der Kugellinse 5, das durch die Variable „a” dargestellt wird, b/α = ~1,546. Dieses Verhältnis optimiert die Qualität des Bildes des primären Paraboloiden 1 an der konzentrischen sphärischen Empfangsoberfläche 9, wenn sie über typische Fehlausrichtungswinkel und Wellenlängen gemittelt wird.
  • Als erläuterndes Beispiel wird eine Optik für einen Generator 4 betrachtet, der mit einem f/0,5-Paraboloid 1 der Brennweite „F” zu verwenden ist. An einer Empfangsoberfläche 9 des Radius b = F/25 steigt die Konzentration von C1center = 625 auf C1edge = 976 an, aus Gleichung (9). Der optimale Radius zur Abbildung auf der Empfangsoberfläche 9 durch eine Kugellinse 5 aus Siliziumdioxid wird durch α = F/25/1,546 = 0,0129D bestimmt. Ein Generator 4 zur Verwendung mit einem kreisförmigen primären f/10,5-Reflektor 1 mit einem Durchmesser von 3 m, als erläuterndes Beispiel, benötigt eine Kugellinse 5 mit einem Durchmesser von 78 mm für eine derartige Konzentration. Die Empfangsoberfläche 9 würde einen Krümmungsradius von 60 mm und einen Randdurchmesser von 96 mm aufweisen. Wenn in der Praxis Sekundärreflektoren 45 verwendet werden, ist die Konzentration, die an der Empfangsoberfläche 9 benötigt wird, im Allgemeinen geringer als diejenige, die an den Photovoltaikzellen 15 benötigt wird, auf Grund der zusätzlichen Konzentration C2, die durch die Sekundärreflektoren 45 bereitgestellt wird.
  • Bauform, Optimierung ”und Eigenschaften von Sekundärreflektoren
  • Die Eigenschaften eines beliebigen prismatischen Fensters 11 oder eines verspiegelten Rahmens 45 sind von seiner Geometrie und seinem Brechungsindex „n” abhängig und können ausführlich für jeden bestimmten Fall und Winkel der Fehlausrichtung durch Raytracing gefunden werden. Die folgenden annähernden analytischen Ausdrucke sind nützlich bei der Entwicklung der bevorzugten Bauformstrategien für einen bestimmten Primärreflektor 1 und zum Schätzen der Schlüsselkennzeichen des Lichts, das durch einen verspiegelten Rahmen 45 oder ein prismatisches Fenster 11 konzentriert wird, wie etwa den durchschnittlichen Konzentrationsanstieg C2 und die räumlichen Konzentrationsänderungen am Ausgang. Sie dienen auch dazu zu erläutern, wie die Fehlausrichtungstoleranz von der gewünschten Konzentration und der Art des verwendeten Sekundärreflektors abhängt.
  • 21 zeigt die Geometrie von axialen Strahlen 7, die am Rand eines prismatischen Fensters 11 reflektiert werden, dessen Ränder außerhalb der Senkrechten zu den Seiten unter einem Neigungswinkel „s” gekippt sind. Die Strahlen 7 gehen durch die Mitte der Kugellinse 5 und in ein Fenster oder einen Rahmen 11 in einer Entfernung „b” und einem begrenzenden Winkel „α” von der Mine der Kugel 5 aus. Die Ausgangsseite 12 ist im Vergleich zur Eingangsseite 10 um einen Faktor 1 – 2t·tan(s)/αb in der Länge reduziert, und der Zwischenraum „g” zwischen den aktiven Regionen angrenzender Zellen 15 wird gegeben durch: g = 2t·tan(s + α/2). (12)
  • Der Anstieg der durchschnittlichen Konzentration C2, die von einem beliebigen Sekundärreflektor 11 hervorgebracht wird, ist das Verhältnis der Fläche der Eingangsseite 10 zur Fläche der Ausgangsseite 12. Im Allgemeinen sind die Neigungswinkel für verschiedene Seiten der vieleckigen Fenster 11 unterschiedlich, um die Zwischenraumgröße und Konzentrationsfaktoren zu optimieren. Zum Zwecke der Erläuterung wird jedoch bei einem annähernd quadratischen Fenster 11, bei dem die beiden Eingangsseiten 10 den Winkel „a” begrenzen und die beiden Randneigungen „s” sind, der Konzentrationsanstieg gegeben durch: C2 = {1 – 2t·tan(s)/αb}2.(quadratisches Fenster) (13)
  • Die gesamte geometrische Konzentration für eine Anlage mit einem derartigen prismatischen Fenster 11 wird gegeben durch das Produkt von C2 und der Konzentration C1 an dem Fenstereingang 10, gegeben durch Gleichung (9) oder Gleichung (10).
  • Die Gleichungen (12) und (13) sind ebenso gut auf Sekundärreflektoren anwendbar, die als prismatische Fenster 11 oder verspiegelte Rahmen 45 angefertigt sind. Die folgende Analyse durch Gleichung (17) ist für Sekundärreflektoren, die als prismatische Fenster 11 angefertigt sind, und für einzeln reflektierte Strahlen abgeleitet. Sie kann auch für Sekundärreflektoren angewendet werden, die als verspiegelte Rahmen mit externer Reflexion angefertigt werden, indem der Brechungsindex „n” auf Eins gesetzt wird.
  • Mit Bezug auf 21 ist für axiale Strahlen der Einfallswinkel an dem Rand des Fensters α/2, und nach dem Brechungsgesetz liegt der Brechungswinkel in das Fenster 11 bei einem kleinen α nahe bei α/2n, wobei n der Brechungsindex des prismatischen Fensters ist. Ein axialer Strahl wird von dem Rand 13 der Neigungsseite unter dem Glanzwinkel s + α/2n reflektiert und fällt somit an der Ausgangsseite 12 des Fensters 11 unter einem Winkel 2s + α/2n ein.
  • Für außeraxiale Strahlen hängt ihr Weg durch das Fenster 11 von ihrem Einfallswinkel und ihrer Position auf der Seite 10 ab. Da der optische Lichtleitwert für Licht bewahrt wird, das in die Fenster oder die verspiegelten Rahmen 11 eindringt, werden Strahlen, die auf den primären Kollektor 1 in einem außeraxialen Winkel θl einfallen, nach der Brechung durch die Kugellinse 5 von den Strahlen aus einer axialen Quelle um einen Winkel von ~θl√C1, abgelenkt, wobei C1 die lokale Konzentration an der Empfangsoberfläche 9 ist. Die größten Einfallswinkel für außeraxiale Strahlen auf der Fenstereingangsseite 10 treten genau an den Rändern auf und reichen bis zu α/2 + ~θl√C1, wenn die Fehlausrichtung in eine Richtung senkrecht zu der reflektierenden Seite liegt. Solche Strahlen werden in dem Fenster 11 in einem Brechungswinkel gebrochen, der durch das Brechungsgesetz mit annähernd (α/2 + ~θl√C1)/n gegeben wird. Nach der Reflexion an dem Neigungsrand 13 ist der Einfallswinkel an der Ausgangsseite 12 gegeben durch: θexit= 2s + (α/2 + θl√C1)/n. (14)
  • Dieser Winkel ist von spezieller Bedeutung für die Bauform eines prismatischen Fensters 11, da Licht an die interne Totalreflexion am Ausgangsfenster 12 verloren ginge, wenn θexit den kritischen Winkel für die interne Totalreflexion überschreitet, gleich sin–1(ngap/n), wobei n der Brechungsindex des Materials in dem kleinen Zwischenraum zwischen dem Fenster 11 und der Zelle 15 ist. Dieser kritische Winkel wird bevorzugt durch die Verwendung eines Indexanpassungsmaterials (ngap ~ n) in dem Zwischenraum erhöht. Bevorzugt ist dieses Material auch ein optischer Kitt, der auch dazu dient, das Fenster 11 an der Zelle 15 anzubringen.
  • Für die in 21 abgebildete spezifische Geometrie mit dickeren Fenstern 11, die für eine gleichförmige Zellenausleuchtung optimiert sind, kann das bevorzugte Verhältnis der Fensterdicke, t, zur Breite der Eingangsseite wie folgt gezeigt werden, wie es nur von s, n und α abhängig ist. Es wird eine gleichförmige Ausleuchtung für eine axiale Ausrichtung erzielt, wenn der äußerste Randstrahl reflektiert wird, um die Mitte der Ausgangsseite 12 zu treffen, wie in 21 abgebildet. Das Einbringen der Halbwertsbreite der Eingangsseite 10, die durch die Geometrien der einfallenden und gebrochenen Strahlen gegeben ist, in eine Gleichung ergibt Folgendes: ½ b·sinα = t·tan(2s + α/2n), die gelöst werden kann, um das Verhältnis der Fensterdicke zur Eingangsseitenbreite ab zu erzielen: t/αb = 1/2tan(2s + α/2n), (für gleichförmige Zellenausleuchtung) (15) und der Anstieg der Konzentration durch den Sekundärreflektor aus den Gleichungen (13) und (15) ist: C2 = {1 – tan(s)/tan(2s + α/2n)}–2(für gleichförmige Zellenausleuchtung). (16)
  • Eine weitere Leistungsüberlegung für dicke Fenster oder verspiegelte Rahmen 11 ist der Abfangverlust für außeraxiale Strahlen, die über das Fenster 11 randreflektiert werden und aus einem prismatischen Fenster 11 an dem gegenüberliegenden Rand gebrochen werden, statt die Ausgangsseite 12 und die Photovoltaikzelle 15 zu erreichen. Gemäß der Geometrie von 5 beginnt ein derartiger Verlust, wenn θexit (Gleichung (14)) für die Strahlen an dem äußeren Fensterrand θescape übersteigt, das gegeben wird durch: θescape = tan–1{(αb/t.–tan(s)}. (17)
  • Nachstehend wird die Verwendung der obigen Analyse erläutert, um die bevorzugten Dimensionen für prismatische Fenster oder verspiegelte Rahmen 11 zu schätzen. Bei diesen Beispielen sind die Sekundärreflektoren in dem äußeren Ring in 21 mit α = 12° dimensioniert und die Ränder sind in einem Winkel s = 16° geneigt.
  • Für eine Ausführungsform des Typs Zwei mit dünnen prismatischen Fenstern 11 und ausgewählt, um Zwischenräume zwischen Photovoltaikzellen 15 zu öffnen, die ~1/4 der aktiven Zellenbreite umfassen, folgt aus den Gleichungen (12) und (13), unter Verwendung der obigen Werte von α und s, dass eine Fensterdicke 0,31 der Zellenbreite benötigt wird, und dass die Konzentration durch eine Randaufhellung um einen durchschnittlichen Faktor C2 = 1,39 bei der Quadratzellen-Näherung erhöht wird. 12a zeigt im Querschnitt prismatische Fenster 11 nach dieser Vorschrift, wobei die Strahlen 3 durch die geneigten Seitenoberflächen 13 auf die Ausgangsseiten 12 reflektiert werden. Die Zwischenräume weisen 1/4 der Breite der Photovoltaikzellen 15 auf, die nicht gezeigt werden, jedoch mit den Ausgangsseiten 12 in Kontakt stehen (und größenmäßig dazu passen). 12b bildet die gleichen prismatischen Fenster 11 ab wie in 12a, wobei nun außenaxiale Strahlen gezeigt werden, die an den Eingangsseiten 10 gebrochen werden. Der Brechungsindex wird als derjenige von Quarzglas genommen, n = 1,46, obwohl andere Glasarten mit geringer Absorption und hohem Brechungsindex für die prismatischen Fenster 11 bevorzugt werden können.
  • Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des Typs Drei mit dickeren Fenstern 11, die gewählt werden, um eine gleichförmige Ausleuchtung hervorzubringen, wie in 15 abgebildet, beträgt die Fensterdicke aus Gleichung (15) 1,12mal die Dicke der Ausgangsseite oder Zelle (0,68 der Vorderseitendicke). Wenn in diesem Fall das Fenster quadratisch ist, beträgt der Anstieg der Konzentration C2 aus Gleichung (16) 2,71.
  • Als Erläuterung von Konzentratorbauformen zur Verwendung mit einem vorgegebenen Primärreflektor 1 und bei einer vorgegebenen Konzentration wird ein Konzentrator in Betracht gezogen, der mit einem kreisförmigen parabolischen Primärreflektor 1 mit dem Fokalverhältnis 10,5 zu verwenden ist. Der Konzentrator ist mit Photovoltaikzellen 15 hinter annähernd quadratischen Sekundärreflektoren 45 konfiguriert, und eine Konzentration von ~1000 wird für die äußersten Zellen 15 angestrebt. Bei diesem Beispiel werden Verluste durch abgefangene Strahlen, Absorption und Reflexion an dielektrischen Schnittstellen, primäres Reflexionsvermögen und Fehlausrichtungsunterbrechungen auf ungefähr 20% geschätzt, und somit wird für eine tatsächliche Konzentration von 1000 eine geometrische Konzentration C1C2 von ~1200 für die kombinierte primäre Konzentration (Paraboloid 1 plus sphärische Feldlinse 5) und sekundäre Konzentration (prismatische Fenster oder verspiegelte Rahmen 11) benötigt. Es werden zwei Konzentratorbauformen in Betracht gezogen, beide mit α = 12° und s = 16°: eine Ausführungsform des Typs Zwei mit dünnen Sekundärreflektoren wie bei der Bereitstellung der sekundären Konzentration C2 = 1,39 und eine Ausführungsform des Typs Drei mit dicken Sekundärreflektoren für eine gleichförmige Konzentration an den Zellen 15 und einer sekundären Konzentration C2 = 2,71.
  • Die Konzentrationen C1 am Eingangsfenster 10 für die erläuternden Ausführungsformen mit dünnen und dicken Fenstern 11 müssen somit jeweils 1200/1,39 ~ 860 und 1200/2,71 ~ 440 betragen, was die Verhältnisse F/b = 24,7 und 17,5 aus Gleichung (9) benötigt. (Hier wird der durchschnittliche Wert für r/F als 0,9 genommen, was für die Sekundärreflektoren um den Rand der Empfangsoberfläche herum geeignet ist, die zu dem primären f/0,5-Reflektor passt.) Für eine Kugellinse 5 aus Quarzglas, für die das bevorzugte Verhältnis b/α = 1,546 ist, sind die bevorzugten Verhältnisse des Radius der Kugellinse zur parabolischen Brennweite, α/F, somit jeweils 0,0263 und 0,037, und aus Gleichung (5) sind die kritischen Winkel für die Fehlausrichtung θc, bei der die Leistung, die an die Empfangsoberfläche 9 übertragen wird, auf Null abfällt, jeweils 1,5° und 2,12°.
  • Für Sekundärreflektoren in Form von prismatischen Fenstern gelten die folgenden Überlegungen für Strahlen, die einmal intern total reflektiert werden. Für eine axiale Ausleuchtung sind Strahlen, die an den Rändern der Eingangsöffnung 10 eindringen, auf der Ausgangsseite 12 unter einem Winkel θexit = 36° einfallend. Für außeraxiale Strahlen ist der Einfallswinkel an der Ausgangsseite 12 nach der Reflektion durch die Fensterränder 13 von C1 abhängig und kann aus der Gleichung (14) abgeleitet werden. Für C1 = 860 bei der Erläuterung mit dünnen Fenstern wird θexit für Strahlen, die um 1° außerhalb der Achse einfallen, auf ein Maximum von 50,5° und für Strahlen, die um 1,2° außerhalb der Achse einfallen, auf 53,4° erhöht. Da der kritische Ausgangswinkel für die interne Totalreflexion von Siliziumdioxid zu Luft 43° beträgt, würde eine Indexanpassung benötigt, um einen Reflexionsverlust dieser Strahlen zu verhindern. Für C1 = 440 für das erläuternde Beispiel mit dicken Fenstern ist der Winkel θescape, bei dem einige extreme Randstrahlen 7 beginnen, an der Photovoltaikzelle 15 vorbeizugehen und die Randoberflächen zu verlassen, 49,8° nach Gleichung (17), was außenaxialen Strahlen entspricht, die gerade unter 1° einfallen, was durch die Gleichung (14) gegeben wird.
  • Strahlen, die in den Ecken der Sekundärreflektoren einfallen, werden zweimal reflektiert, an jeder der geneigten Oberflächen, welche die Ecke bilden. Die Einfallswinkel an der Ausgangsseite sind nach der zweiten Reflexion größer und sind somit Verlusten durch interne Totalreflexion stärker ausgesetzt, wenn kein Indexanpassungsmedium verwendet wird. Da der Anteil doppelt reflektierter Strahlen mit der Tiefe zunimmt, sind eventuelle Verluste durch interne Totalreflexion für dicke Sekundärreflektoren größer, die als prismatische Fenster umgesetzt werden.
  • Die obige Analyse und die obigen Gleichungen sind zum Schätzen anfänglicher Bauformparameter nützlich. Für eine beliebige spezifische Umsetzung der Erfindung wird die ausführliche Leistungsanalyse von Aspekten wie etwa der örtlichen Konzentration und Unterbrechung, des gesamten Leistungsdurchsatzes, der Verbreitung doppelt reflektierter Eckstrahlen und der Reflexion durch verwundene Reflektoren bevorzugt analysiert und durch Raytracing optimiert. Dieser Prozess ermöglicht eine ausführliche Modellierung einzelner und mehrfacher Reflexionen in quadratischen, trapezförmigen oder polyedrischen Sekundärreflektoren und Lichtleitern und berücksichtigt die Streuung von Strahlenwinkeln auf Grund der Breite der Sonnenscheibe und der projizierten Fehler durch Fehlausrichtung oder Spiegelkrümmungsfehler. Beispiele eines derartigen Raytracings sind in 13a und 13b und in 38a und 38b abgebildet.
  • Die obigen erläuternden Beispiele sind nur repräsentativ. Es versteht sich, dass die optische Bauform der Erfindung in der Lage ist, Konzentrationen abzugeben, die größer oder kleiner als 1000 sind, für den Fall, dass effizientere Photovoltaikzellen 15 verfügbar werden, für die jeweils höhere oder niedrigere Konzentrationen für einen optimalen Kostenverlauf bevorzugt werden. Eine besonders bevorzugte Konzentration ist größer als 1000. Eine bevorzugte Konzentration liegt im Bereich von 800 bis 1000. Eine weniger bevorzugte Konzentration liegt in dem Bereich von 500 bis 1000.
  • Die Wahl zwischen interner oder externer Totalreflexion kommt ebenfalls auf Kosten, Leistung und Zuverlässigkeit an. Die interne Totalreflexion in einem prismatischen Fenster 11 ist selber verlustfrei. Verluste durch dielektrische oder interne Totalreflexion an der Schnittstelle zwischen einem prismatischen Fenster 11 und der Photovoltaikzelle 15 werden bevorzugt durch die Verwendung eines Indexanpassungsmaterials in dem Zwischenraum beseitigt. Indexanpassungsmaterialien von entsprechender Langlebigkeit auf sehr hohen Solarkonzentrationsniveaus können eventuell nicht verfügbar sein, und die Kosten größerer prismatischer Fenster 11, die aus einem optisch beständigen und hoch transparenten dielektrischen Material angefertigt werden, können sich als hoch erweisen.
  • Eine externe Reflexion stellt eine Alternative bereit, welche die Schwierigkeiten eines Kopplungsmediums vermeidet, wird jedoch einen gewissen Verlust einbüßen. Sauberes blankes Silber in unpolarisiertem Licht, das unter 70° des normalen Einfalls einfällt, hat ein Reflexionsvermögen von 96,2% bei 400 nm, 97,5% bei 900 nm und 96,5% bei 1400 nm, woraus sich ein Durchschnitt von 97% über das Solarspektrum ergibt. Daher beträgt der Gesamtverlust eines idealen tiefen Sekundärreflektors (bei dem 2/3 des Lichts reflektiert werden) ungefähr 2%. Schutzbeschichtungen können diesen Verlust etwas erhöhen. Die externe Reflexion an einem verspiegelten Rahmen wird wahrscheinlich für größere Sekundärreflektoren bei Generatoren 4 bevorzugt, die größere quadratische Photovoltaikzellen 15 verwenden, um die Herstellungskosten zu minimieren.
  • Verfahren zur Herstellung für eine konkave Empfängeranordnung, die eine Vielzahl von Photovoltaikzellen trägt
  • Ein Generator 4, der eine Vielzahl von Photovoltaikzellen 15 in einer konkaven Aufstellung umfasst, kann mit den Zellen 15 hergestellt werden, die von einer durchgehenden gekrümmten Hülle 20 getragen werden, die aus wärmeleitfähiger Keramik angefertigt wird, wie sie in der auseinandergezogenen Ansicht gezeigt wird, die durch die 41a, 41b, 41c und 41d gebildet wird. Bei dem abgebildeten Beispiel zeigt 41a eine Hülle 20, die in einem Muster facettiert ist, das sich zum Tragen von Zellen 15 in einem kreisförmigen radialen Kachelmuster, wie in 13a abgebildet, eignet. Die Hülle 20 dient als gekrümmtes Substrat für eine gedruckte Schaltung mit Spuren, wie in 41b gezeigt, die aus einer Kupferlage 17 gebildet werden, die mit der Keramikhülle 20 verbunden ist. Die Kupferlagen 17 können sowohl mit den konkaven als auch mit den konvexen Seiten der Keramikhülle 20 verbunden werden, um eine zusammengesetzte Sandwichstruktur zu erreichen, deren Wärmeausdehnungskoeffizient demjenigen der Photovoltaikzellen 15 entspricht, und dessen Form über den Bereich der Betriebstemperaturen beständig ist. Die Zellen 15 und die Nebenschlussdioden 30, die in 41c gezeigt werden, werden an der Kupferlage 17 bevorzugt durch ein wärmeleitfähiges Material, wie etwa Lötmetall 16, befestigt. Wenn Sekundärreflektoren in Form von prismatischen Fenstern 11 Teil des Generators 4 sein sollen, wie in 41d gezeigt, werden diese bevorzugt mit einem optisch übertragenden Material 14 mit den Zellen 15 verbunden und somit von der Keramikhülle 20 über die Zellen 15 getragen. Die vier Lagen, die in der auseinander gezogenen Ansicht aus 41a, 41b, 41c und 41d gezeigt werden, bilden zusammen eine einstückige, mehrzellige Empfängeranordnung 78, wie es die aufgeschnittene Ansicht aus 15 zeigt. Hier sind prismatische Fenster 11 zu sehen, die an Photovoltaikzellen 15 befestigt sind, die durch Kupferkontaktflächen 17 an eine Keramikhülle 20 angeschlossen sind.
  • Die durchgehende gekrümmte Hülle 20 bildet die Grenze zwischen zwei geschlossenen Kammern, wie in 2 abgebildet. Die konkave Seite bildet eine Kammer 8, die bevorzugt gegenüber der Außenatmosphäre durch die sphärische Kugellinse 5 oder durch ein externes Fenster 101, wie in 26 abgebildet, geschlossen ist. Die konvexe Seite ist ein Teil einer zweiten geschlossenen Kammer, um das Kühlfluid 22 zu enthalten. Um eine chemische Interaktion zwischen der Keramik 20 und dem Kühlfluid 22 zu vermeiden und eine bimetallartige Verformung zu vermeiden, weist die konvexe polyedrische Oberfläche bevorzugt darauf auch eine Kupferlage 21 auf. Die äußere Kupferlage 21 ist bevorzugt texturiert oder als vorstehende Stifte gebildet, um die Wärmeübertragung in das Kühlfluid 22 zu erleichtern. Die Kühlung durch das Fluid 22 kann durch Sieden, wie in einem Wärmerohr, oder durch eine gepumpte Flüssigkeit erfolgen.
  • Der Vorteil des Anbringen einer Vielzahl von Photovoltaikzellen 15 an einer einzigen Sandwichstruktur aus Kupfer und Keramik ist, dass sie einen direkten thermischen Weg zum Kühlfluid in einer geschlossenen Kammer über ein Mittel bereitstellt, das sich sowohl zur Massenproduktion eignet als auch die Verwendung eines thermischen Schnittstellenmediums vermeidet. Eine durchgehende Tragstruktur, die als Sandwichstruktur aus Keramik 20 und Kupfer 17 angefertigt wird, wird gegenüber einer Struktur bevorzugt, die aus Grundmetall angefertigt wird, weil geeignete Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Kupfer oder Aluminium, auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Daher erfordert ein durchgehender Metallträger im Allgemeinen, dass die Zellen 15 über Übergangslagen sowohl aus Keramik für die elektrische Isolation als auch aus einem biegsamen thermischen Schnittstellenmedium (TIM) angebracht werden, um eine Differentialwärmeausdehnung zu erlauben. Derartige Schnittstellenlagen machen die Konstruktion aufwändiger und führen zu eventuellen langfristigen Zuverlässigkeitsproblemen durch das TIM. Ein anderer Vorteil der Montage einer Vielzahl von Zellen 15 auf einem einzigen Keramikträger 20 ist es, dass eine kostengünstige Technologie für gedruckte Schaltungen durchgehend verwendet werden kann, um elektrische Anschlüsse an Nebenschlussdioden 30 und zwischen den Zellen 15 herzustellen. Die beiden Bauteile können einfach an einer einseitigen gedruckten Schaltung angebracht werden, auf Grund der Zwischenräume, die zwischen den Photovoltaikzellen 15 durch die Verwendung der Sekundärreflektoren 45 gemäß der vorliegenden Erfindung geöffnet werden.
  • Die tragende Keramikhülle 20 wird bevorzugt als ein einziges monolithisches Stück hergestellt und weist somit eine hohe strukturelle Integrität auf und sollte eine lange Lebensdauer mit leckfreiem Betrieb des Fluids 22 bereitstellen, das verwendet wird, um die Zellen 15 abzukühlen. Dadurch, dass alle elektrischen Bauteile und die Verkabelung um den Innenumfang der Muschel 20 herum positioniert werden, ist kein Eindringen in die Hülle 20 notwendig. Ein bevorzugtes Konstruktionsverfahren erfolgt durch Lagen aus Direktverbindungskupfer, DBC, auf beiden Seiten der Keramikhülle 20. DBC-Lagen sind auf Aluminiumnitrid-, Aluminiumdioxid- und Berylliumdioxid-Keramik üblich, die verwendet wird, um flache Sandwichpaneele für elektronische Hochleistungs-Leiterplatten anzufertigen, sowie für flache wärmeleitfähige Substrate für einzelne Mehrverbindungs-Photovoltaikzellen 15. Bei der konkaven zusammengesetzten Struktur der vorliegenden Erfindung werden die Dicken der Kupferlagen bevorzugt derart gewählt, dass der Dehnungskoeffizient der zusammengesetzten Hülle dem der Mehrverbindungs-Photovoltaikzellen 15 entspricht. Die Dicke der Innenlage aus Kupfer 17 wird auch gewählt, um den Photovoltaikstrom mit minimalem ohmschen Verlust zu wählen. Um eine Schaltung 46 auf einem konkaven facettierten Substrat herzustellen, wird ein Photolack auf der Oberfläche der konkaven Kupfermuschel bevorzugt durch Kontaktdrucken oder durch Wiederabbilden eines konkaven Hauptmusters auf der Muschel durch ein spezifisch gebautes optisches Relais belichtet. Eine bevorzugte Form eines derartigen Relais ist eine sphärische Linse mit einem kleineren Durchmesser und/oder einem höheren Index als die Generatorfeldlinse 5, die jedoch in dem gleichen Mittelpunkt angeordnet ist, und sie würde verwendet, um eine konkave Vorlage abzubilden. Eine derartige Linse würde eine konzentrische Blendenstufe umfassen, die bevorzugt durch eine äquatoriale Rille gebildet wird, die in die Sphäre eingeschnitten wird.
  • 42 bildet ausführlicher ein Beispiel einer gekrümmten gedruckten Schaltung 46 ab, die auf der Innenfläche der tragenden Keramikschale 20 gebildet wird und parallele und serielle Zusammenschaltungen zwischen den Photovoltaikzellen 15, wie es für die Schaltung aus 17 benötigt wird, bereitstellt. Die Spuren 17 und 18 werden aus der gleichen einzigen Kupferlage gebildet, die in den Flächen 47, die schwarz gezeigt werden, abgeätzt ist, um das erläuterte Muster, das in 42 gezeigt wird, zu bilden. Die abgeätzte Fläche 47 grenzt Basiskontaktflachenspuren 17 für die Photovoltaikzellen 15 ab. Die Basiskontaktflachenspuren 17 sind radial verbunden, so dass, wenn die Photovoltaikzellen 15 auf den Basiskontaktflächenspuren 17 montiert sind, die Zellenbasen elektrisch angeschlossen werden, um parallele radiale Gruppen von Zellen 15 zu bilden. Die abgeätzte Flache 47 bildet auch leitfähige Kupferspuren 18, die sich zwischen den Basiskontaktflächen 17 erstrecken, und sind elektrisch von den Basiskontaktflachenspuren 17 durch eine geätzte Linie isoliert, die in der Kupferschicht 17 bereitgestellt wird. Die in 15 gezeigte Querschnittsansicht erläutert, wie die Spuren 18 den leitfähigen Anschluss bereitstellen, der mit der Bezugsnummer 18 angegeben wird. Somit werden durch die Bereitstellung der Zusammenschaltungen 19 zwischen den Randsammelschienen auf der Seite der Photovoltaikzellen 15 und der Spuren 18 radiale Gruppen von parallel geschalteten Zellen 15 miteinander in Reihe geschaltet, d. h. dass die Spuren 18 die gewünschten azimutalen seriellen Leitweganschlüsse bereitstellen. Der Fachmann wird verstehen, dass diese geätzte gedruckte Schaltung 46 auf der in 42 gezeigten Keramikhülle 20 auf praktische Art und Weise die elektrischen Anschlüsse bereitstellt, die für die Schaltungskonfiguration gewünscht sind, die in 17 schematisch gezeigt wird.
  • Mit Bezug auf 42 umfasst die gedruckte Schaltung 46 auch Kontaktflächen 31 für parallele Nebenschlussdioden 30 um den Umfang der Keramikhülle 20 herum. Zusammenschaltungen werden aus den Nebenschlussdioden 30 zu den kurzen radialen Fingern 60 neben jeder Nebenschlussdioden-Kontaktfläche 31 hergestellt. Bei der abgebildeten Auslegung, die der Schaltung aus 17 entspricht, sind fünf mittlere Zellen 15 auf Kontaktflächenspuren 50 montiert, die einen elektrischen Anschluss der zentralen Zellen 15 parallel bereitstellen. Die Kontaktflächenspur 30 wird für die Nebenschlussdiode 30 für die mittleren Zellen bereitgestellt und weist Zusammenschaltungen mit der zentralen Basiskontaktfläche 50 und einer oder mehreren der inneren radialen Spuren 61 auf. Eine erste Ausgangskontaktfläche 32 und eine zweite Ausgangskontaktfläche 33 werden für einen externen Anschluss an die Empfangsanordnung bereitgestellt. Die Ausgabe der zentralen Zellen 15 wird zu dem Umfang durch einen Draht oder einen (nicht gezeigten) Leiter geleitet, der den elektrischen Anschluss zwischen der zentralen Kontaktfläche 50 und der ersten Ausgangskontaktfläche 32 bereitstellt. Es kann ein Draht bereitgestellt werden, der in einem der V-förmigen Zwischenräume zwischen den geneigten Seiten 13 der Fenster 11 verlauft. Dieser Draht vervollständigt die Schaltung, die ansonsten ganz durch Löten von Zusammenschaltungen mit der gedruckten Schaltung 46 angefertigt wird, die in Spuren aus einem einzigen vieleckigen Kupferbogen 17 und 18 geätzt werden. Die Ausgabe aller Photovoltaikzellen 15 in der Aufstellung würde dann für die Leiter 54 und 53 zur Verfügung stehen, die jeweils zu den Ausgangskontaktflächen 32 und 33, die in 43 gezeigt werden, geleitet würden.
  • Die Randsammelschienen 37 der Zellen 15 sind elektrisch an die Finger 18 auf der gedruckten Schaltung 46 durch Zusammenschaltungen 19 angeschlossen, wie man es besser mit Bezug auf 43 und 20 verstehen wird. Jede Photovoltaikzelle 15 weist eine photovoltaisch aktive Seite 51 auf, die auf Solarstrahlung reagiert, um Elektrizität zu erzeugen. Jede Photovoltaikzelle 15 umfasst um ihren Rand herum eine Umfangssammelschiene 37, die den Photostrom über die dünnen Kontaktgitterdrähte 70 über die aktive Seite 51 hinweg empfängt. Die Zusammenschaltungen nehmen bevorzugt die Form leitfähiger Streifen oder dünner Drähte an, die um die Ränder der Zellen herum angebracht sind. Die Zusammenschaltungen 19 stellen einen niederohmigen Weg zu der gedruckten Schaltung bereit, um Joulesche Verluste zu minimieren. Das in 43 gezeigte Beispiel ist nur erläuternd. Somit können die Knickzusammenschaltungen, die an den linken Seiten der trapezförmigen Zellen 15 angebracht sind und sich um die Finger 18 herum erstrecken, die sich oberhalb und unterhalb der Zellen 15 erstrecken, in der Praxis die rechten Zusammenschaltungen der Zellen 15 unmittelbar links überlagern. In diesem Fall kann eine Isolierung verwendet werden, um die sich überlagernden Zusammenschaltungen zu trennen. Die Zusammenschaltungen 19 können alternativ in Form einer Mehrzahl von dünnen Drähten vorliegen, wie in 31 abgebildet.
  • Der Vorteil eines Generators, der mit einer konkaven, mehrzelligen Empfängeranordnung konstruiert wird, ist wahrscheinlich die Einfachheit der Konstruktion und die Langlebigkeit. Eine derartige Konstruktion ist auf die beiden Generatortypen mit sowohl flachen als auch tiefen Sekundärreflektoren, wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben, anwendbar. Dieses Konstruktionsverfahren hat das Potential für geringe Kosten, wenn es in einem sehr großen Umfang gebaut wird, nachdem Entwicklungs-, Technik- und Werkzeugkosten abgeschrieben sind. Diese nicht wiederkehrenden Kosten werden wahrscheinlich hoch sein, weil die gereifte Herstellungskapazität für Keramik mit Direktverbindungskupfer sich derzeit auf flache Platten beschränkt. Eine weitere Herausforderung für dieses Konstruktionsverfahren, die wahrscheinlich mit einem sehr großen Volumen überwunden werden kann, ist die der Anfertigung und Anbringung der Zellen 15 mit ausreichend guter Zuverlässigkeit, um einen hohen Ertrag für die fertigen Anordnungen zu erreichen.
  • Eine alternative Konstruktion, die eine weniger fortschrittliche Entwicklung erfordert, jedoch den Vorteil einer direkten Wärmeleitung von der Zelle 15 durch eine DBC-Keramik zu dem Kühlfluid beibehält, ist in 21 abgebildet. Hier sind individuelle Empfängeranordnungen in einem Gerüstrahmen aus Metall mit einem geringen Wärmeleitkoeffizienten verbunden, um dem der Zellen- und Empfängeranordnung zu entsprechen. Da der größte Teil der Wärmeströmung nicht durch das Metallgerüst geht, kann eine Nickellegierung mit, einem Dehnungskoeffizienten, der demjenigen der Empfängeranordnungen entspricht, für das Gerüst verwendet werden, trotz der schlechten Wärmeleitfähigkeit solcher Legierungen. Die elektrischen Anschlüsse zwischen den Zellen 15 werden durch gelötete Leiter hergestellt, welche die individuellen Empfängeranordnungen verbinden. Eine derartige Konstruktion ist auf die Generatortypen 4 mit den Sekundärreflektoren, die in den obigen Ausführungsformen beschrieben werden, anwendbar, zu denen Generatoren 4 zur Verwendung mit nicht kreisförmigen Primärreflektoren 1, wie etwa die in 1 und 19 gezeigten Ausführungsformen gehören.
  • Auf der Grundlage der vorliegenden Offenbarung wird der Fachmann zu schätzen wissen, dass Modifikationen und Änderungen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, verschiedene Materialien eingesetzt werden können, äquivalente Merkmale verwendet werden können, Änderungen an den Schritten des Herstellungsprozesses vorgenommen werden können und zusätzliche Elemente und Schritte hinzugefügt werden können, ohne Umfang und Geist der Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Offenbarung hat bestimmte, derzeit bevorzugte Ausführungsformen und nur Beispiele dargelegt, und es wurde nicht versucht, alle Variationen und Ausführungsformen zu beschreiben, die im Umfang der vorliegenden Erfindung inbegriffen sind. Der Umfang der Erfindung wird daher durch die beiliegenden Ansprüche definiert und ist nicht auf die in der obigen Beschreibung dargelegten spezifischen Beispiele beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2007/0272666 A1 [0135]

Claims (1)

  1. Gerät zur Erzeugen Von Elektrizität aus Solarstrahlung, umfassend: einen schüsselförmigen Reflektor, wobei der schüsselförmige Reflektor einen Brennpunkt aufweist und dazu geeignet ist, die Solarstrahlung in diesem Brennpunkt zu konzentrieren; eine im Wesentlichen sphärische Linse, die in dem Brennpunkt des schüsselförmigen Reflektors positioniert ist; eine Vielzahl von Photovoltaikzellen, die auf einer Empfangsoberfläche positioniert sind, die sich auf dem optischen Weg über die sphärische Linse hinaus befindet, wobei die Photovoltaikzellen betriebsbereit sind, um Elektrizität zu erzeugen, wenn die Photovoltaikzellen mit Solarstrahlung ausgeleuchtet werden; und wobei der schüsselförmige Reflektor betriebsbereit ist, um eine Solarstrahlung auf die sphärische Linse zu reflektieren, wobei die sphärische Linse betriebsbereit ist, um die Solarstrahlung an die Photovoltaikzellen zu übertragen, wobei die Photovoltaikzellen betriebsbereit sind, um Elektrizität zu erzeugen, wenn eine Solarstrahlung auf den Photovoltaikzellen durch den schüsselförmigen Reflektor und die sphärische Linse fokussiert wird.
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