DE19600813A1 - Solar cell assembly - Google Patents

Solar cell assembly

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DE19600813A1
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Abstract

The photovoltaic assembly, which concentrates light and cools solar cells at the same time, has a container (1) with transparent coolant filling points (9), for one or more solar cells (2) fitted on a socket (3). The coolant fluid (4) surrounds the solar cells in the container and a pressure equalising container (5), with filling points (10), takes coolant fluid which expands through heat. The side (7) of the container towards the sunlight (6) is transparent and, together with the coolant fluid, forms a light-gathering optical array. The container wall (8) directs the sunlight striking at an angle towards the solar cells, through total reflection of a part. Mirrors direct the incoming sunlight to the solar cells, in the solar cell container. The assembly has a system to align the structure with the sun. The pressure equalising chamber is a polyethylene bag, with a variable vol.

Description

Stand der TechnikState of the art

Kristalline Solarzellen können ein Vielfaches der elektrischen Nennleistung erbringen, falls die durch das konzentrierte Sonnenlicht entstehende Erwärmung mittels einer Kühlung beherrscht wird (T. M. Bruton, K. C. Heasman, J. P. Nagle, R. R. Russell: Proc. 23rd IEEE PVSC, 1250 (1993)). Jüngste Entwicklungen zeigen, daß zukünftig vielleicht auch amorphe Solarzellen für konzentriertes Sonnenlicht geeig­ net sind.Crystalline solar cells can multiply the electrical nominal power provide if the warming caused by the concentrated sunlight controlled by cooling (T. M. Bruton, K. C. Heasman, J. P. Nagle, R. R. Russell: Proc. 23rd IEEE PVSC, 1250 (1993)). Recent developments show that maybe in the future also amorphous solar cells suitable for concentrated sunlight are not.

Durch Verdichtung der metallischen Kontaktfinger auf der Solarzellenoberfläche ist es möglich, die Leistung einer Solarzelle bei 10 . . . 50-facher Sonneneinstrahlung (10 . . . 50 sun; 1 sun = 0,1 W/cm²) fast ohne Verteuerung des Solarzellen- Herstellungsprozesses erheblich zu steigern. Es ist bekannt, daß bei kleinem Flächenwiderstand der Solarzellen-Frontschicht der Serienwiderstand einer Solarzelle näherungsweise umgekehrt proportional zum Quadrat der Anzahl (äquidistanter) Kontaktfinger ist (N. C. Wyeth: Solid State Electronics 20, 629 (1977)). Wie eigene Versuche zeigten, können Leistungen bis zum 50-fachen der Nennleistung erreicht werden. Ohne Kühlung überschreitet jedoch bereits bei 10 sun die Solarzellentemperatur nach wenigen Sekunden die maximal zulässige Grenze. Eine gute Kühlung ist die Voraussetzung, um an die große Leistungsfähigkeit von konventionellen Solarzellen bei 10 . . . 50 sun heranzukommen.By compressing the metallic contact fingers on the solar cell surface it is possible to measure the performance of a solar cell at 10. . . 50 times sun exposure (10... 50 sun; 1 sun = 0.1 W / cm²) almost without increasing the price of the solar cell To significantly increase the manufacturing process. It is known that in small Surface resistance of the solar cell front layer is the series resistance of one Solar cell approximately inversely proportional to the square of the number (Equidistant) contact finger is (N.C. Wyeth: Solid State Electronics 20, 629 (1977)). As our own experiments have shown, performance can be up to 50 times higher Rated power can be achieved. Without cooling, however, it already exceeds 10 sun the solar cell temperature is the maximum permissible limit after a few seconds. Good cooling is a prerequisite for the high performance of conventional solar cells at 10. . . 50 sun to get there.

Zum preisgünstigen und effektiven Kühlen von Solarzellen ist wenig bekannt. Wohl aus der Befürchtung heraus, die Kontaktfinger der Solarzelle könnten chemisch angegriffen werden, wurde bisher eine vollständige Umspülung der Solarzelle mit einer transparenten Kühlflüssigkeit (vgl. Problemlösung) weitgehend vermieden (vgl. DE 44 05 650 C1, WO94/18708).Little is known about the inexpensive and effective cooling of solar cells. Probably out of the fear that the contact fingers of the solar cell could be chemical have been attacked so far, a complete flushing of the solar cell a transparent coolant (see problem solving) largely avoided (see DE 44 05 650 C1, WO94 / 18708).

Konzentratorsysteme sind in vielen Varianten bekannt (DE 42 25 130 A1, DE 44 05 650 C1, DE 32 05 439 C2, DE 43 07 128 A1, DE 42 19 000 A1). Das prominenteste großtechnische Beispiel, wo die Konzentrierung von Sonnenlicht benutzt wird, um elektrische Energie zu erzeugen, sind die Parabolrinnenkraftwerke in Kalifornien (F. Bremauer: Sonnenenergie 3/95, S. 34).Many variants of concentrator systems are known (DE 42 25 130 A1, DE 44 05 650 C1, DE 32 05 439 C2, DE 43 07 128 A1, DE 42 19 000 A1). The most prominent industrial example where the concentration of sunlight is used to The parabolic trough power plants in California (F. Bremauer: Sonnenenergie 3/95, p. 34).

Die Form des Solarzellenbehälters aus Fig. 1 wurde bereits als eine optische Vorrichtung (dielektrischer totalreflektierender Konzentrator) ohne Solarzelle und ohne Kühlung derselben vorgestellt (X. Ning, J. O′Gallagher, R. Winston: Applied Optics 26, 300 (1987)).The shape of the solar cell container from FIG. 1 has already been presented as an optical device (dielectric total reflecting concentrator) without a solar cell and without cooling the same (X. Ning, J. O'Gallagher, R. Winston: Applied Optics 26, 300 (1987)) .

ProblemstellungProblem

Ziel ist ein preisgünstiges Gesamtkonzept zur Umwandlung von konzentriertem Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Dazu müssen sowohl Konzentrator, als auch Kühlung und Nachführung preisgünstig sein.The goal is an affordable overall concept for the conversion of concentrated Sunlight in electrical energy using solar cells. This requires both Concentrator, as well as cooling and tracking be inexpensive.

Für die Kühlung der Solarzelle ist eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich. Beim Ausfall der Kühlung darf die Solarzelle nicht zerstört werden. Die Kühlung muß so gut sein, daß an heißen wolkenfreien Sommertagen die Solarzellentemperatur von 350 K nicht überschritten wird.A high level of reliability is required for cooling the solar cell. At the If the cooling fails, the solar cell must not be destroyed. The cooling must be like this be good that on hot, cloudless summer days the solar cell temperature of 350 K is not exceeded.

Der Akzeptanzwinkel für die direkte Sonneneinstrahlung soll möglichst groß sein, damit für die Nachführung keine Präzisionsmechanik erforderlich ist.The acceptance angle for direct sunlight should be as large as possible, so that no precision mechanics are required for the tracking.

(Zu den Nachführungen gibt es separate Patente. Sie werden deshalb nicht detailliert dargestellt.)(There are separate patents for the updates. They are therefore not shown in detail.)

ProblemlösungTroubleshooting

Dieses Problem wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Dadurch, daß die Kühlflüssigkeit gleichzeitig zur Konzentrierung von Sonnenlicht benutzt wird, wird eine einfache und ökonomische Bauweise der Vorrichtung erreicht.This problem is solved by the features listed in claim 1. The fact that the coolant simultaneously concentrates sunlight a simple and economical construction of the device is used reached.

Die Vorrichtung (Fig. 1) besteht aus einem Behälter (1) mit einer Solarzelle (2). Die Kühlflüssigkeit (4, z. B. Wasser) umgibt die Solarzelle vollständig. Der im Volumen veränderliche Druckausgleichsbehälter (5) nimmt die durch Wärme sich ausdehnende Kühlflüssigkeit auf. Die dem Sonnenlicht (6) zugewandte Seite (7) des Solarzellenbehälters (1) bildet zusammen mit der Kühlflüssigkeit eine Sammellinse, die das einfallende Sonnenlicht fokussiert. Die Besonderheit dieser Sammellinse besteht darin, daß es nur eine Grenzfläche gibt: Das Licht tritt in das optisch dichtere Medium ( = Kühlflüssigkeit) ein und bleibt dort, bis es auf die Solarzelle auftrifft. In Sonderfällen kann die Eintrittsfläche des Lichts auch eben sein (7 in Fig. 5).The device ( Fig. 1) consists of a container ( 1 ) with a solar cell ( 2 ). The cooling liquid ( 4 , e.g. water) completely surrounds the solar cell. The pressure expansion tank ( 5 ), which changes in volume, receives the coolant that expands due to heat. The side ( 7 ) of the solar cell container ( 1 ) facing the sunlight ( 6 ) forms, together with the cooling liquid, a collecting lens which focuses the incident sunlight. The peculiarity of this collecting lens is that there is only one interface: the light enters the optically denser medium (= cooling liquid) and remains there until it hits the solar cell. In special cases, the entrance surface of the light can also be flat ( 7 in FIG. 5).

Totalreflexion an den Seitenwänden (8) des Solarzellenbehälters bzw. Spiegel (14 in Fig. 5) leiten einen Teil des schräg einfallenden Lichts zur Solarzelle weiter. Dadurch wird ein großer Akzeptanzwinkel erreicht.Total reflection on the side walls ( 8 ) of the solar cell container or mirror ( 14 in FIG. 5) transmit part of the obliquely incident light to the solar cell. This creates a wide acceptance angle.

Die Solarzelle liegt an einem tiefen Punkt des Behälters. Deshalb kann aufgrund der Schwerkraft die erwärmte Kühlflüssigkeit von selbst zirkulieren. Öffnungen am Sockel der Solarzelle (3) ermöglichen das Strömen der Kühlflüssigkeit zwischen Solarzellenbehälter und Druckausgleichsbehälter.The solar cell is located at a low point in the container. Therefore, the heated coolant can circulate by itself due to gravity. Openings on the base of the solar cell ( 3 ) allow the coolant to flow between the solar cell tank and the pressure compensation tank.

Das Befüllen mit bzw. Entleeren von Kühlflüssigkeit geschieht über die Stutzen (9) und (10). Falls der Behälter mittels der Nachführung um 180° gedreht werden kann, genügt der Stutzen (10). The filling with or emptying of coolant takes place via the connectors ( 9 ) and ( 10 ). If the container can be rotated by 180 ° using the tracking device, the socket ( 10 ) is sufficient.

Erreichte VorteileAchieved advantages

Der Gesamtpreis der Vorrichtung kann gering gehalten werden. Die Wettbewerbsfähigkeit mit konventioneller Stromenergieerzeugung erscheint nicht aussichtslos. Dies wird möglich durch die Kombination von Sonnenlichtkonzen­ trierung und Solarzellenkühlung als Schwerkraftkühlung ohne Rohre, Pumpe und Steuerung. Akzeptanzwinkel von 6° bei 36-facher Lichtverstärkung (vgl. Beispiel 1) werden möglich durch die total reflektierenden Behälterwände. Deshalb genügt eine Nachführung ohne Präzisionsmechanik. Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Nachführung können dadurch erhöht werden. Der Schutz der Solarzellen bei einem Leck in der Vorrichtung ist dadurch gegeben, daß die konzentrierende Wirkung der Linse nur bei einem gefüllten Behälter vorliegt: Die Funktionsfähigkeiten von Konzentrator und Kühlung bedingen sich per Konstruktion gegenseitig.The total price of the device can be kept low. The Competitiveness with conventional electricity generation does not appear hopeless. This is made possible by the combination of sunlight concentrations tration and solar cell cooling as gravity cooling without pipes, pumps and Control. Acceptance angle of 6 ° with 36-fold light amplification (see example 1) are made possible by the totally reflective container walls. Therefore one is sufficient Tracking without precision mechanics. Reliability and lifespan of the This can increase tracking. Protection of solar cells in one Leak in the device is given by the fact that the concentrating effect of The lens is only present when the container is filled: The functional capabilities of The design of the concentrator and cooling are mutually dependent.

Vier BeispieleFour examples

Vorteil der rotationssymmetrischen Fokussierung (Anspruch 4.b) ist das relativ kleine Verhältnis Linsendurchmesser : Solarzellendurchmesser, das einen größeren Akzeptanzwinkel für einfallendes Licht nach sich zieht. Der größere Akzeptanzwinkel erlaubt eine einfache Nachführung (vgl. Beispiel 1).The advantage of the rotationally symmetrical focusing (claim 4.b) is relative small ratio lens diameter: solar cell diameter, which is a larger Acceptance angle for incident light entails. The larger acceptance angle allows easy tracking (see example 1).

Vorteil der linearen Fokussierung (Anspruch 4.a) ist die noch einfachere Fertigung (lange Solarzellenrinne). Bis zum Lichtverstärkungsfaktor 20 kann die jahreszeitliche Nachführung (Drehen der Solarzellenfläche senkrecht zur Ebene der Sonnenbahn) ganz entfallen. Nachteil ist die geringere Lichtverstärkung im Vergleich zu Beispiel 1 bei gleicher optischer Präzision und gleichem Gewicht (vgl. Beispiel 2).The advantage of linear focusing (claim 4.a) is the even simpler production (long solar cell channel). Up to the light amplification factor 20, the seasonal Tracking (turning the solar cell surface perpendicular to the plane of the solar path) completely eliminated. The disadvantage is the lower light gain compared to example 1 with the same optical precision and the same weight (see Example 2).

Falls nur die Solarzelle - bei feststehendem Solarzellenbehälter - in der Kühl­ flüssigkeit nachgeführt wird (Anspruch 8.b), wird die Bauweise der Nachführung besonders einfach, weil die zu bewegenden Massen sehr klein sind und die entsprechenden Gewichte sogar durch den Auftrieb in der Kühlflüssigkeit neutra­ lisiert werden können. Diese Nachführung hat bei der Gebäudeintegration Vorteile, weil der gesamte Behälter fest montiert werden kann und die Nachführung nicht den Wettereinflüssen ausgesetzt ist (vgl. Beispiel 3).If only the solar cell - with a fixed solar cell container - in the cooling liquid is tracked (claim 8.b), the construction of the track especially easy because the masses to be moved are very small and the appropriate weights even due to the buoyancy in the coolant neutra can be lized. This tracking has advantages in building integration, because the entire container can be fixed and the tracking does not Is exposed to weather influences (see Example 3).

Die Lichtkonzentrierung in einem keilförmigen total reflektierenden Behälter ermöglicht große Akzeptanzwinkel für die jahreszeitliche Nachführung, große Solarzellenflächen bei kleinen Behältervolumina (und damit kleinen Behälter­ gewichten) sowie eine schnelle Abkühlung. Der Aufbau aus nur planen Behälterwänden ist sehr einfach. Die Lichtverstärkung liegt im Bereich 8 . . . 16 (vgl. Beispiel 4). The concentration of light in a wedge-shaped, totally reflecting container enables large acceptance angles for seasonal tracking, large Solar cell areas with small container volumes (and thus small containers weight) and rapid cooling. Building out just plan Container walls are very simple. The light amplification is in the area 8. . . 16 (cf. Example 4).  

Im folgenden werden die oben angedeuteten vier Beispiele diskutiert. Sie ergeben sich jeweils durch Patentanspruch 1 und der Auswahl von mindestens einer Variante aus den Ansprüchen 2-8. Die folgende Numerierung stimmt mit der Numerierung der Patentansprüche überein.The four examples outlined above are discussed below. You surrender each by claim 1 and the selection of at least one variant from claims 2-8. The following numbering agrees with the numbering of the claims.

Beispiel 1example 1 Solarzellenbehälter mit zweidimensionaler Fokussierung (Fig. 2a-c)Solar cell container with two-dimensional focusing ( Fig. 2a-c)

  • 1. Vorrichtung nach Anspruch 11. Device according to claim 1
  • 2. a,c Kühlflüssigkeit: destilliertes Wasser, gemischt mit gefrierpunktserniedrigen­ den Alkoholen. Vorteil ist der Gefrierschutz im Winter.2. a, c cooling liquid: distilled water mixed with freezing point the alcohols. Freeze protection is an advantage in winter.
  • 3. a-d Druckausgleichsbeutel aus Polyethylen mit Schraubverschluß3. a-d pressure compensation bag made of polyethylene with screw cap
  • 4. Drei Linsenformen für die Eintrittsfläche des Lichts: rotationssymmetrische Linse mit quadratischer Pyramide als Behälterunterteil (Anspruch 4.b, Fig. 2a), rotationssymmetrische Linse mit kegelförmigem Behälterunterteil (Anspruch 4.b, Fig. 2b), Fresnel-Linse (Anspruch 4.c, Fig. 2c)4. Three lens shapes for the entrance surface of the light: rotationally symmetrical lens with a square pyramid as the lower part of the container (claim 4.b, Fig. 2a), rotationally symmetrical lens with a conical lower part of the container (claim 4.b, Fig. 2b), Fresnel lens (claim 4 .c, Fig. 2c)
  • 5.a Linsenprofil mit exaktem Brennpunkt. Dieses Linsenprofil (7 in Fig. 1) läßt sich durch rekursive Berechnung leicht ermitteln: Der Öffnungswinkel γ des Behälters (= Winkel zwischen den beiden Behälterwänden (8) in Fig. 1; Fig. 2a) wird ad hoc vorgegeben. Dabei wird der Brennpunkt im Schnittpunkt der beiden Behälterwände angenommen. Optimierung von γ bedeutet, einen Kompromiß zwischen zwei entgegengesetzten Zielen zu finden: kleine Höhe und kleines Volumen (und damit eine mechanisch leichter handhabbare Bauform) sowie geringe Reflexionsverluste an der Linse: Mit größer werdendem γ sinkt die Höhe und das Gesamtvolumen des Solarzellen­ behälters; andererseits ist aber auch die Linse steiler aufgewölbt (mit dann größeren Reflexionsverlusten). Ein guter Kompromiß zwischen einer kompakten Bauweise und geringen Reflexionsverlusten liegt bei γ = 20 . . . 22°. Fig. 1 zeigt ein maßstabsgetreues Linsenprofil (7) für γ = 20° und Brechungsindex n = 1,33.5.a lens profile with exact focus. This lens profile ( 7 in FIG. 1) can be easily determined by recursive calculation: the opening angle γ of the container (= angle between the two container walls ( 8 ) in FIG. 1; FIG. 2a) is specified ad hoc. The focal point at the intersection of the two container walls is assumed. Optimizing γ means finding a compromise between two opposite goals: small height and small volume (and thus a mechanically more easily manageable design) and low reflection losses at the lens: with increasing γ, the height and the total volume of the solar cell container decrease; on the other hand, however, the lens is also curved more steeply (with greater reflection losses then). A good compromise between a compact design and low reflection losses is γ = 20. . . 22 °. Fig. 1 shows a scale lens profile (7) for γ = 20 ° and refractive index n = 1.33.
  • 6. keine Spiegel: Der Winkel der Totalreflexion liegt für Wasser bei 48.7°. Dadurch wirkt eine plane, transparente, trichterförmig zur Solarzelle hin verlaufende Behälterwand (Fig. 1) fast genau so gut wie ein Spiegel. Deshalb werden in diesem Beispiel keine Spiegel benötigt. Sie sind nur dann erforderlich, wenn eine andere Behälterform die Totalreflexion unmöglich macht. Das ist dann der Fall, wenn mehrere Linsen (für mehrere Solarzellen) in einem gemeinsamen Behälter integriert sind (vgl. Beispiel 3, Fig. 4a).6. no mirrors: the angle of total reflection for water is 48.7 °. As a result, a flat, transparent container wall ( FIG. 1) running in a funnel shape towards the solar cell works almost as well as a mirror. Therefore, no mirrors are needed in this example. They are only required if a different container shape makes total reflection impossible. This is the case if several lenses (for several solar cells) are integrated in a common container (cf. Example 3, Fig. 4a).
  • 7. a-c monokristalline Si-Solarzellen mit kleinem Innenwiderstand7. a-c monocrystalline Si solar cells with low internal resistance
  • 8.a Nachführung durch Drehen des gesamten Behälters mit einem Akzeptanzwinkel bis zu 6°. Die tolerierbare Ungenauigkeit wurde über Simulationsrechnungen ermittelt und ist so ausgelegt, daß die um bis zu 6° im Einfallswinkel abweichenden Lichtstrahlen noch zu 100 Prozent über Totalreflexion zur Solarzelle gelangen und die Solarzelle gleichmäßig bestrahlt wird.8.a Tracking by turning the entire container with a Acceptance angle up to 6 °. The tolerable inaccuracy was over Simulation calculations determined and is designed so that the by up to 6 ° light rays deviating in the angle of incidence are still 100 percent above Total reflection reach the solar cell and the solar cell evenly is irradiated.

Wenn dLinse der Durchmesser der Linse und dSolar der Durchmesser der Solarzelle ist, ist die eindimensionale geometrische Lichtverstärkung v1D If d lens is the diameter of the lens and d solar is the diameter of the solar cell, the one-dimensional geometric light amplification is v 1D

v1D = dLinse/dSolar,v 1D = d lens / d solar ,

die zweidimensionale geometrische Lichtverstärkung v2D istthe two-dimensional geometric light amplification is v 2D

v2D = (dLinse/dSolar)²v 2D = (d lens / d solar ) ²

Die reale Lichtverstärkung ist durch Reflexionsverluste von 10 . . . 15 Prozent an der Linsenoberfläche sowie Reflexionsverluste an der Behälterwand und geringfügige Absorption im Kühlmittel etwas niedriger. Für dieses Beispiel sei γ = 20° und v2D = 36 angenommen, so daß dLinse = 6*dSolar ist. Die absoluten Längenmaße des Behälters sind nach Berechnung des Linsenprofils noch frei wählbar. Die untere Grenze der Längenmaße wird festgelegt durch das minimale Volumen, das die Kühlflüssigkeit benötigt, um an einem wolkenlosen heißen Tag die Solarzelle auf einer Temperatur unter 350 K zu halten. Unter dieser Annahme liegt der kleinste Durchmesser dLinse bei ca. 60 mm. Dies bedeutet, daß dSolar = 10 mm ist (Fläche: 10 mm * 10 mm). Das Volumen des Behälters ist dann 0,11 Liter, die Gesamthöhe 104 mm. Bringt man von diesen 60 mm * 60-mm-Behältern 200 Stück auf einen Quadratmeter, so ergibt sich für diese Fläche ein Gewicht (incl. Halterungen) von ca. 30 kg. Dies wäre für die Montage auf einem Dach noch tolerabel. Zweckmäßigerweise werden mehrere Behälter mit einem einzigen Druckausgleichsbehälter verbunden. Die Einfüllstutzen sind dabei so orientiert, daß in einer einstellbaren Winkelstellung der Nachführung alle zu einem Druck­ ausgleichsbehälter gehörigen Behälter gemeinsam mit Kühlflüssigkeit gefüllt werden können.The real light amplification is due to reflection losses of 10. . . 15 percent on the lens surface as well as reflection losses on the container wall and slight absorption in the coolant somewhat lower. For this example, let γ = 20 ° and v 2D = 36, so that d lens = 6 * d solar . The absolute length dimensions of the container can still be freely selected after calculating the lens profile. The lower limit of the length dimensions is determined by the minimum volume that the cooling liquid needs to keep the solar cell at a temperature below 350 K on a cloudless hot day. Under this assumption, the smallest diameter d lens is approximately 60 mm. This means that d solar = 10 mm (area: 10 mm * 10 mm). The volume of the container is then 0.11 liters, the total height is 104 mm. If you bring 200 of these 60 mm * 60 mm containers to a square meter, this results in a weight (including brackets) of approx. 30 kg. This would still be tolerable for mounting on a roof. Advantageously, several containers are connected to a single surge tank. The filler neck are oriented so that in an adjustable angular position of the tracking all containers belonging to a pressure expansion tank can be filled together with coolant.

Beispiel 2Example 2 Rinne mit schmalem Band aus Solarzellen (Fig. 3)Channel with a narrow band made of solar cells ( Fig. 3)

  • 1. Vorrichtung nach Anspruch 11. Device according to claim 1
  • 2.b Kühlflüssigkeit: undestilliertes Wasser ("Leitungswasser"). Vorteil ist der niedrige Preis und die gute Verfügbarkeit. Nachteil ist das Gefrieren im Winter. Hier hilft nur die jahreszeitliche Entleerung der Anlage oder ein Standort in wärmeren Ländern. Korrosion der elektrischen Kontakte der Solarzelle wird durch Anspruch 7.d verhindert.2.b Cooling liquid: undistilled water ("tap water"). The advantage is low price and good availability. The disadvantage is the freezing in the Winter. Only seasonal emptying of the system or helps Location in warmer countries. Corrosion of the electrical contacts of the Solar cell is prevented by claim 7.d.
  • 3. Der Druckausgleichsbehälter (5) ist an der Frontseite des Solarzellen­ behälters integriert.3. The pressure expansion tank ( 5 ) is integrated on the front of the solar cell tank.
  • 4.b Linsenform: erste Raumrichtung konvex, zweite Raumrichtung gerade. Die Lichtverstärkung ergibt sich hier zu v1D = dLinse/dSolar,bezogen auf die Raumrichtung mit konvexer Linsenform. Die zweite Raumrichtung bringt keine Lichtverstärkung. Bei einer angenommenen Licht­ verstärkung von 20 und einem Linsendurchmesser dLinse = 120 mm ist der Durchmesser der Solarzelle dSolar = 6 mm.4.b Lens shape: first spatial direction convex, second spatial direction straight. The light amplification here results in v 1D = d lens / d solar , based on the spatial direction with a convex lens shape. The second spatial direction brings no light amplification. With an assumed light gain of 20 and a lens diameter d lens = 120 mm, the diameter of the solar cell is d solar = 6 mm.
  • 5.a Linsenprofil mit exaktem Brennpunkt (vgl. Beispiel 1)5.a lens profile with exact focal point (see example 1)
  • 6. keine Spiegel: Die Spiegelung erfolgt wieder an der total reflektierenden transparenten Behälterwand (vgl. Beispiel 1).6. no mirrors: The mirroring takes place again at the totally reflective transparent container wall (see Example 1).
  • 7.a-d monokristalline Si-Solarzellen mit kleinem Innenwiderstand und transparen­ ter Antikorrosionsschicht. Die transparente Antikorrosionsschicht ist eine Vorsichtsmaßnahme, um Korrosion der Metallfinger durch nicht destilliertes Wasser auch über Jahre zu verhindern. Sie muß wegen der thermischen Ausdehnung der Solarzelle elastisch sein. Hitze- und Feuchtebeständigkeit sind weitere wichtige Merkmale. Dadurch, daß die Schicht dünner als 0,3 mm ist, wird die Wärmeleitung aus der Solarzelle heraus nur unwesentlich beeinträchtigt.7.a-d monocrystalline Si solar cells with low internal resistance and transparent the anti-corrosion layer. The transparent anti-corrosion layer is one Precaution to prevent metal finger corrosion from undistilled To prevent water even for years. You must because of the thermal Expansion of the solar cell to be elastic. Resistance to heat and moisture are other important features. Because the layer is thinner than 0.3 mm, the heat conduction from the solar cell becomes insignificant impaired.
  • 8.a Nachführung durch Drehen des gesamten Behälters8.a Tracking by rotating the entire container

Der Akzeptanzwinkel für die oben angegebene Geometrie mit Lichtverstärkung 20, bei dem eine gleichmäßige Ausleuchtung der Solarzelle noch gewährleistet ist, beträgt 2,5°. Es genügt eine einachsige polare Nachführung. Als Drehachse wird - wegen der minimalen mechanischen Belastung - die Schwerelinie des Behälters gewählt.The acceptance angle for the above-mentioned geometry with light amplification 20, in which a uniform illumination of the solar cell still ensures is 2.5 °. A single-axis polar tracking is sufficient. As an axis of rotation becomes - due to the minimal mechanical load - the gravity line of the Container selected.

Zu größeren Solarzellenbreiten dSolar gelangt man, wenn das Sonnenlicht mit einer über dem Behälter angebrachten Fresnellinse vorfokussiert wird (Anspruch 9). Der gleiche Verstärkungsfaktor 20 könnte mit einer Fresnellinsenbreite von 500 mm, der gleichen Behälterbreite von 120 mm und einer Solarzellenbreite von 25 mm bei einem größeren Akzeptanzwinkel realisiert werden.Larger solar cell widths d solar can be achieved if the sunlight is pre-focused with a Fresnel lens attached above the container (claim 9). The same gain factor 20 could be realized with a Fresnel lens width of 500 mm, the same container width of 120 mm and a solar cell width of 25 mm with a larger acceptance angle.

Beispiel 3Example 3 Modul mit kugelförmigen Linsen (Fig. 4a, b)Module with spherical lenses ( Fig. 4a, b)

Die kugelförmigen Linsen (11) (Anspruch 5.c) sind schachbrettartig in ein Modul integriert. Die trichterförmigen Behälterwände (8) aus Fig. 1 entfallen; damit entfällt auch die Totalreflexion von schräg einfallenden Strahlen. Diese Aufgabe wird von kleinen Spiegeln übernommen, die am Sockel der Solarzelle befestigt sind. Sie fungieren als Sekundärkonzentratoren, die die Oberflächenform eines umgedrehten Pyramidenstumpfes haben.The spherical lenses ( 11 ) (claim 5.c) are integrated into a module like a checkerboard. The funnel-shaped container walls ( 8 ) from FIG. 1 are omitted; this also eliminates the total reflection of obliquely incident rays. This task is performed by small mirrors that are attached to the base of the solar cell. They act as secondary concentrators that have the surface shape of an inverted truncated pyramid.

Bei kugelförmigen Linsen ist wegen des rotationssymmetrischen Strahlenganges eine Nachführung der Solarzelle (incl. Spiegel) in der Kühlflüssigkeit bei feststehendem Modul möglich (Anspruch 8.b). Die Solarzelle bewegt sich dabei auf der Oberfläche einer Kugel (13), deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Kugellinse zusammenfällt. In Fig. 4a ist die Bewegungsebene der Solarzelle nur für die fordere Kugellinse dargestellt; auf die Darstellung der Nachführung wurde verzichtet. Der Radius dieser Bewegungsebene ist bei 25- facher Lichtverstärkung und einem Brechungsindex n = 1,33 etwa 1,5 mal so groß wie der Radius der Kugellinse. Die Fokussierungseigenschaften der Kugellinse sind gut (vgl. Fig. 4b); Lichtverstärkungen über 50 sind möglich. Der Toleranzwinkel kann - auf Kosten der Lichtverstärkung - dadurch vergrößert werden, daß der Radius der Kugeloberfläche, auf der die Solarzelle bewegt wird, verringert wird.In the case of spherical lenses, it is possible to track the solar cell (including the mirror) in the cooling liquid when the module is stationary because of the rotationally symmetrical beam path (claim 8.b). The solar cell moves on the surface of a ball ( 13 ), the center of which coincides with the center of the ball lens. In Fig. 4a, the plane of movement of the solar cell is shown only for the front ball lens; the presentation of the tracking has been dispensed with. The radius of this plane of movement with 25-fold light amplification and a refractive index n = 1.33 is about 1.5 times as large as the radius of the spherical lens. The focusing properties of the spherical lens are good (see FIG. 4b); Light intensifications over 50 are possible. The tolerance angle can - at the expense of light amplification - be increased by reducing the radius of the spherical surface on which the solar cell is moved.

Ein separater Druckausgleichsbehälter ist hier nicht erforderlich, weil die Unterseite des Moduls mit einer elastischen Behälterwand (12) bestückt wird, die ein variables Volumen ermöglicht. A separate surge tank is not required here because the underside of the module is equipped with an elastic tank wall ( 12 ), which enables a variable volume.

Beispiel 4Example 4 Keilförmiger totalreflektierender Behälter für schräg einfallendes Licht (Fig. 5a, b)Wedge-shaped totally reflecting container for obliquely incident light ( Fig. 5a, b)

Fig. 5a zeigt das Prinzip, wie ein Lichtstrahl mit dem Einfallswinkel α in den optisch dichteren Keil mit dem Öffnungswinkel γ und dem Brechungsindex n gebrochen wird. Anschließend wird er durch Totalreflexion zur Solarzelle (2) (Breite sx, Höhe sy) reflektiert. Die untere Seite des Keils (gleiche Länge a wie obere Seite) ist verspiegelt (14). In Abhängigkeit vom Öffnungswinkel γ ergibt sich folgende eindimensionale Lichtverstärkung v₁: Fig. 5a shows the principle of how a light beam with the incident angle α γ in the optically denser wedge with the opening angle and the refractive index n is broken. It is then reflected by total reflection to the solar cell ( 2 ) (width s x , height s y ). The lower side of the wedge (same length a as the upper side) is mirrored ( 14 ). Depending on the opening angle γ, the following one-dimensional light gain v 1 results:

v₁ (γ) = a * cos(α(γ)) * t(α(γ))/sy v₁ (γ) = a * cos (α (γ)) * t (α (γ)) / s y

Das kleinste zulässige α = α(γ) läßt sich über die TotalreflexionsbedingungThe smallest permissible α = α (γ) can be determined using the total reflection condition

α(γ) = αtot-2γ; αtot = arcsin(1/n)α (γ) = α tot -2γ; α tot = arcsin (1 / n)

berechnen (vgl. Fig. 5a). t(α(γ)) ist gemäß der Fresnelschen Formeln der Teil der Lichtstrahlen, die in den Keil gebrochen werden. Der Verstärkungsfaktor v₁ läßt sich durch eine trichterförmige Verschmälerung des Keils zur Solarzelle hin (Fig. 5b) zu einem zweidimensionalen Verstärkungsfaktor v₂ vergrößern:calculate (see Fig. 5a). According to Fresnel's formula, t (α (γ)) is the part of the light rays that are refracted into the wedge. The gain factor v₁ can be increased by a funnel-shaped narrowing of the wedge towards the solar cell ( Fig. 5b) to a two-dimensional gain factor v₂:

v₂(γ) = f * cos(α(γ)) * t(α(γ))/(sx * sy)v₂ (γ) = f * cos (α (γ)) * t (α (γ)) / (s x * s y )

Dabei ist f die trapezförmige Eintrittsfläche des Lichts (7) in Fig. 5b. Das Öffnungsverhältnis des Trichters b/sx kann um so größer gewählt werden, je größer a/sx ist. Je nach Wahl von γ, a und sx ergeben sich dann Lichtver­ stärkungen v₂ = 8 bis v₂ = 16. Für die höheren Lichtverstärkungen ist das Verhältnis von Behälteroberfläche und Solarzellenoberfläche sehr groß; das günstigste Preis-Leistungsverhältnis (DM/Wp) liegt bei v₂ = 8 . . . 12.Here, f is the trapezoidal entry surface of the light ( 7 ) in FIG. 5b. The opening ratio of the funnel b / s x can be chosen to be larger the larger a / s x . Depending on the choice of γ, a and s x , there are light amplifications v₂ = 8 to v₂ = 16. For the higher light amplifications, the ratio of the container surface to the solar cell surface is very large; The cheapest price-performance ratio (DM / W p ) is v₂ = 8. . . 12th

Der Keil ist mit Kühlflüssigkeit (4) gefüllt, die Solarzelle (2) ist vollständig von dieser Kühlflüssigkeit umgeben. Der Druckausgleichsbehälter (5) schließt sich an die Solarzellenrückseite an und beeinflußt die Geometrie des Strahlenganges nicht.The wedge is filled with coolant ( 4 ), the solar cell ( 2 ) is completely surrounded by this coolant. The surge tank ( 5 ) connects to the back of the solar cell and does not affect the geometry of the beam path.

Fig. 5b zeigt ein maßstabsgerechtes Beispiel dieses zur Solarzelle hin sich verschmälernden Keils: Für Wasser als Kühlflüssigkeit im Keil ist der Brechungsindex n = 1,33. Die Solarzelle hat die Maße sx = 50 mm und sy = 100 mm. Ferner werden gewählt: a = 410 mm, b = 200 mm, γ = 14°. Daraus ergeben sich: α = 28,1°, f = 5,0 dm², Volumen = 2,0 Liter und die geometrische Lichtverstärkung v₂ = 8,2 bei minimal gewähltem α. Fig. 5b shows an example of this scale just to the solar cell toward narrowing wedge: the refractive index is n = 1.33 for water as the cooling liquid in the wedge. The solar cell has the dimensions s x = 50 mm and s y = 100 mm. The following are also selected: a = 410 mm, b = 200 mm, γ = 14 °. This results in: α = 28.1 °, f = 5.0 dm², volume = 2.0 liters and the geometric light amplification v₂ = 8.2 with a minimum chosen α.

Der Akzeptanzwinkel für die tägliche Nachführung liegt im obigen Zahlen­ beispiel bei 3°; bei diesem Winkel gelangen noch 90 Prozent aller Strahlen zur Solarzelle. Er kann durch ein kleineres Verhältnis b/sx vergrößert werden. In the above figures, the acceptance angle for daily tracking is 3 °; at this angle, 90 percent of all rays reach the solar cell. It can be increased by a smaller ratio b / s x .

Bezugszeichen für Abbildungen Reference symbols for illustrations

Claims (9)

1. Photovoltaik- Vorrichtung, die gleichzeitig Licht konzentriert und Solarzellen kühlt, gekennzeichnet durch:
  • - einen Behälter (1) mit transparentem Einfüllstutzen (9), der eine oder mehrere auf einem Sockel (3) befestigte Solarzellen (2) enthält,
  • - eine Kühlflüssigkeit (4), die die Solarzelle im Behälter umgibt,
  • - einen Druckausgleichsbehälter (5) mit Einfüllstutzen (10), der die durch Wärme sich ausdehnende Kühlflüssigkeit aufnimmt,
  • - die dem Sonnenlicht (6) zugewandte Seite (7) des Behälters ist transparent und bildet zusammen mit der Kühlflüssigkeit eine lichtsammelnde optische Vorrichtung,
  • - eine Behälterwand (8), die durch Totalreflexion einen Teil des schräg ein­ fallenden Sonnenlichtes zur Solarzelle weiterleitet,
  • - Spiegel (14) im Solarzellenbehälter, die einfallendes Sonnenlicht zur Solar­ zelle weiterleiten,
  • - eine Nachführungsvorrichtung.
1. Photovoltaic device that simultaneously concentrates light and cools solar cells, characterized by:
  • a container ( 1 ) with a transparent filler neck ( 9 ), which contains one or more solar cells ( 2 ) attached to a base ( 3 ),
  • - a cooling liquid ( 4 ) which surrounds the solar cell in the container,
  • - a pressure expansion tank ( 5 ) with filler neck ( 10 ) which receives the cooling liquid that expands due to heat,
  • the side ( 7 ) of the container facing the sunlight ( 6 ) is transparent and, together with the cooling liquid, forms a light-collecting optical device,
  • - a container wall ( 8 ) which transmits part of the obliquely falling sunlight to the solar cell by total reflection,
  • - Mirror ( 14 ) in the solar cell container, which direct incident sunlight to the solar cell,
  • - a tracking device.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der folgenden Kühlflüssigkeiten verwandt wird:
  • a) destilliertes Wasser,
  • b) undestilliertes Wasser,
  • c) Alkohole,
  • d) Wärmeleit- bzw. Wärmeübertragungsöle hoher Transparenz,
  • e) Gemische aus obigen Kühlflüssigkeiten.
2. Arrangement according to claim 1, characterized in that one of the following cooling liquids is used:
  • a) distilled water,
  • b) undistilled water,
  • c) alcohols,
  • d) heat-conducting or heat-transfer oils with high transparency,
  • e) Mixtures of the above cooling liquids.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaus­ gleichsbehälter eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
  • a) Er ist ein im Volumen variabler Beutel.
  • b) Er ist ein im Volumen variabler Beutel aus Polyethylen.
  • c) Am unteren Teil ist ein Einfüll- und Ablaßstutzen angebracht.
  • d) Er ist mit dem Solarzellenbehälter durch einen Steck- oder Schraubverschluß verbunden.
  • e) Falls sein Flüssigkeitsspiegel über der Solarzelle steht, befindet sich am oberen Teil eine Öffnung für ein- und ausströmende Luft.
3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the pressure compensation tank has one or more of the following features:
  • a) It is a variable-volume bag.
  • b) It is a poly bag with variable volume.
  • c) A filler and drain neck is attached to the lower part.
  • d) It is connected to the solar cell container by a plug or screw closure.
  • e) If its liquid level is above the solar cell, there is an opening at the top for incoming and outgoing air.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälterober­ seite (= Eintrittsfläche des Lichts) (7) eine der folgenden Formen hat:
  • a) lineare Linse: erste Raumrichtung konvex, zweite Raumrichtung gerade (vgl. Parabolrinne),
  • b) rotationssymmetrische Linse: beide Raumrichtungen konvex,
  • c) Fresnellinsen mit der Eigenschaft (4.a) oder (4.b),
  • d) plane Eintrittsfläche.
4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the container upper side (= entrance surface of the light) ( 7 ) has one of the following shapes:
  • a) linear lens: first spatial direction convex, second spatial direction straight (see parabolic trough),
  • b) rotationally symmetrical lens: both spatial directions convex,
  • c) Fresnel lenses with the property (4.a) or (4.b),
  • d) flat entry surface.
5. Anordnung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der folgenden konvexen Linsenprofile verwandt wird:
  • a) Linsenprofil mit exaktem Brennpunkt bei senkrechtem Einfall,
  • b) Linsenprofil derart, daß die Solarzelle gleichmäßig bestrahlt wird,
  • c) kreisförmiges bzw. kugelförmiges Linsenprofil.
5. Arrangement according to claim 1 and 4, characterized in that one of the following convex lens profiles is used:
  • a) lens profile with exact focal point with vertical incidence,
  • b) lens profile in such a way that the solar cell is irradiated uniformly,
  • c) circular or spherical lens profile.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der folgenden Spiegelmaterialien für Spiegel im Solarzellenbehälter verwandt wird:
  • a) hochpoliertes Aluminium (Dicke ca. 0,3 mm),
  • b) aluminisierte Kunststoffolie,
  • c) aufgedampftes Aluminium, überzogen mit einer transparenten Schutzschicht.
6. Arrangement according to claim 1, characterized in that one of the following mirror materials is used for mirrors in the solar cell container:
  • a) highly polished aluminum (thickness approx. 0.3 mm),
  • b) aluminized plastic film,
  • c) evaporated aluminum, covered with a transparent protective layer.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen mindestens eines der folgenden Merkmale aufweisen:
  • a) Die Materialeigenschaften der Solarzellen erlauben bei guter Kühlung eine dauerhafte Bestrahlung von 1 W/cm².
  • b) Der durch die metallischen Kontaktfinger bedingte ohmsche Widerstand ist minimiert.
  • c) Der Abstand der metallischen Kontaktfinger ist kleiner als 2 mm.
  • d) Die Oberfläche ist mit einer transparenten, elastischen, hitze- und feuchte­ beständigen Antikorrosionsschicht versiegelt.
7. Arrangement according to claim 1, characterized in that the solar cells have at least one of the following features:
  • a) With good cooling, the material properties of the solar cells allow permanent irradiation of 1 W / cm².
  • b) The ohmic resistance caused by the metallic contact fingers is minimized.
  • c) The distance between the metallic contact fingers is less than 2 mm.
  • d) The surface is sealed with a transparent, elastic, heat and moisture resistant anti-corrosion layer.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung folgende Merkmale aufweist:
  • a) Nachführen des gesamten Behälters,
  • b) Nachführen der Solarzelle in der Kühlflüssigkeit bei feststehendem Behälter.
8. Arrangement according to claim 1, characterized in that the tracking has the following features:
  • a) tracking the entire container,
  • b) Tracking the solar cell in the coolant with the tank stationary.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sonnenlicht durch eine zusätzliche Fresnellinse über dem Behälter oder einen Parabolspiegel vorfokussiert wird.9. Arrangement according to claim 1, characterized in that the sunlight with an additional Fresnel lens over the container or a parabolic mirror is pre-focused.
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