DE19609283A1 - Multi-Solarzellen-Konzentrator - Google Patents
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Description
Die relativ hohen Preise für Silizium-Solarzellen von 8000 bis 10 000 DM/kW bei
1 SUN = 1 kW/m² legen es nahe, mittels preisgünstiger Blechspiegelkonzentratoren oder vieler
"dünne" Sammellinsen, die mit einem Bruchteil dieses Preises pro kW elektrischer Energie
auskommen und außerdem noch Niedertemperaturwärme erzeugen, um den Preis pro kW
einer PV-Anlage weiter erheblich zu reduzieren.
So erhöht erfindungsgemäß nach Fig. 1 ein innenverspiegelter Vierecks-Pyramiden-Stumpf
trichterspiegel (1) die Bestrahlungsintensität einer in dem Pyramidenstumpfspiegel (1)
angeordneten Solarzelle um den Konzentrationsfaktor C = 4, wenn durch besondere
Dimensionierung der 4 ebenen Spiegelflächen (3) deren Reflexionsstrahlenbündel auf die
Solarzelle (2) gelenkt werden. Erfindungsgemäß bleibt dabei die gesamte
Bestrahlungshelligkeit auf der Solarzelle räumlich konstant, was eine Bedingung für die
optimale Umwandlung des konzentrierten Sonnenlichtes in elektrische Energie ist.
Da wegen des geringen Reflexionsverlustes des Trichterspiegels die gesamte durch die
Aperturfläche 4a2 eingestrahlte Sonnenenergie nur mit ca. 14% in elektrische Energie
umgewandelt wird, wird der Großteil von ca. 84% der aufgefangenen Sonnenenergie in
Wärme umgewandelt, die erfindungsgemäß durch wassergekühlte Bodenkästen (4) oder
durch eine vor die Solarzellen angeordnete Glasabdeckung, das langwelliges Sonnenlicht
selektiv absorbiert, gekühlt und nutzbar abgeführt.
Die restliche Umwandlungswärme wird durch die gut wärmeleitenden großen
Spiegelbleche, die auf der Rückseite geschwärzt sind, erfindungsgemäß mittels Konvektion
an die Umgebungsluft abgegeben.
Bei Verzicht auf eine vollkommen homogene Bestrahlungsdichte der quadratischen
Solarzellen kann bei Verwendung preiswerterer kreisförmiger Solarzellen erfindungsgemäß
mittels tiefgezogener und optisch optimierter, nicht abwickelbarer Spiegelbleche mit
stetigem Übergang von quadratischer Eingangsapertur in kreisförmige Solarzellen ein für
die Massenproduktion geeigneter Multitrichterspiegelkonverter Fig. 4 hergestellt werden.
Da bei feststehenden Solarzellen die abgegebene elektrische Energie vom cos des
Einfallswinkels abhängt, dessen Mittelwert Π/2 ist, kann erfindungsgemäß der
Gesamtgewinn für den vorliegenden Flachspiegeltrichter max. 4Π/2 = 2Π = 6,28 betragen.
Die der Theorie entsprechende gemessene Strahlungskonzentration von C = 3,75 erhitzt
die Solarzelle gegenüber der Umgebung und mindert den photovoltaischen Umwandlungs
wirkungsgrad der Solarzellen mit steigender Temperatur. Deshalb ist eine intensive Kühlung
aller Solarzellen notwendig. Erfindungsgemäß geschieht dies nach Fig. 1 durch flache
kreiszylindrische Metalldosen (4), in die das Kühlmedium tangential am Dosenrand
einströmt und mit großer Geschwindigkeit auf einer spiralförmigen Wirbelbahn im
Dosenzentrum erwärmt, axial austritt.
Alle Kühldosen werden erfindungsgemäß durch Parallelschaltung der Kühlmediumzu- und
-abführung intensiv gekühlt, so daß eine möglichst hohe photovoltaische Umwandlung
erreicht wird.
Anstelle von Spiegeltrichtern kann das direkte Sonnenlicht nach Fig. 4 erfindungsgemäß
durch viele gleiche Sammellinsen auf die zugehörigen Solarzellen konzentriert werden,
wobei die maximale Konzentration viel größer als C = 4 sein kann. Im Unterschied zu den
bisher verwendeten großflächigen nach Süden orientierten und fest aufgebauten
Solarzellenpanellen, benötigt der dem Sonnenstand automatisch nachgeführte und
wassergekühlter MSK sogenannte "parasitäre" Hilfsenergien, die vernachlässigbar klein im
Vergleich zur gewonnenen elektrischen Energie sein müssen.
Dies trifft wegen der langsamen Erddrehung von ω = 2Π/Tag für die parasitäre
Antriebsleistung PAntrieb zu, da bereits bei P = 1W und einem Antriebswirkungsgrad von
η = 0,1 ein Antriebsmoment von Md= P/η·ω = 1W 10,1·2Π/24·3600 s = 13.700 Nm ist.
Die parasitäre Antriebsleistung bei Zwangswasserkühlung PAK berechnet sich zu
PAK = ∨·Δp/ηUmwandlung, wobei ∨ der sekundliche Kühlwasserstrom und Δp das Druck
gefälle in der Kühlerdose darstellt.
Claims (8)
1. Photovoltaischer Sonnenlichtkonverter, dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltaische
Solarzellenfläche aus einer ausreichend großen Anzahl gleichgestaltigen Rechteck-,
Quadrat- oder Kreisfläche besteht, welche die Basisflächen von gleichen,
innenverspiegelten Trichtern bilden, die das senkrecht einfallende Sonnenlicht
konzentrieren und gleichförmig auf die Solarzellen reflektieren, so daß die Aperturfläche
des einfallenden Lichtstromes ein vielfaches C der gesamten Solarzellenfläche beträgt.
2. MSK dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltaische Solarzellenfläche aus einer
ausreichend großen Zahl gleichgroßer Kreisflächen besteht, denen das um C verstärkte
Sonnenlicht durch eine gleiche Anzahl von Sammallinsen zugestrahlt wird.
3. MSK nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei quadratischen Spiegeltrichtern die
Konzentration C des Sonnenlichtes fast C = 4 beträgt und daß wegen der der
Sonnenrichtung nachgeführten Trichterkonzentratoren sich ein theoretischer Gesamtgewinn
gegenüber feststehenden Solarzellen von 4Π/2 = 2Π = 6,28 ergibt.
4. MSK nach 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vermeiden eines zu großen
Wirkungsgradabfalles der stark erhitzten Solarzellen diese durch mit Frostschutzmittel
gemischte Wasser durchströmte (evtl. mit Frostschutzmittel gemischte) Kühlungsflächen die
thermische Verlustleistung der Solarzellen von 85% intensiv gekühlt werden.
5. MSK nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus Werkzeugkostengründen aus
ebenen Spiegeltrichterteilen besteht, die praktisch ohne Verschnitt und ohne
Tiefziehverformung aus einem einzigen rechteckigen Spiegelblech hergestellt werden
können.
6. MSK nach 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß er durch elektronische oder mechanische
Uhrwerke um eine zum Polarstern zeigende siderischen Achse mit einer
Winkelgeschwindigkelt von 360°/Tag und gleichzeitig um die dazu senkrecht stehende
Saisonalachse um 23,5° zwischen Sommer und Winter mit ca. 5° Winkelgenauigkeit
nachgeführt wird.
7. MSK nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß seine Lichteintrittsapertur durch ein Fenster
verschlossen ist, das nicht nur die Spiegelflächen und die Solarzellen vor Verschmutzen
schützt, sondern auch durch seine selektive optische Lichtdurchlässigkeit gewünschtenfalls
das Kühlsystem entlastet.
8. MSK dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 1 der durch Wärmeleitpaste gut
wärmekontaktierte Kühlkörper aus flachen, kreiszylindrischen Metalldosen besteht, in die
das auf alle Kühldosen gleichmäßig verteilte Kühlwasser mit möglichst niederer Temperatur
an den äußeren oberen Dosenwänden tangential auftrifft und nach vielen schnell
durchlaufenden Spiralbahnen im Zentrum der Dosen erwärmt axial austritt.
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