DE19857174A1 - Maritime, floating solar collectors of plastics transparent top foil and back-up foil, sandwiching photovoltaic material coated support foil - Google Patents

Maritime, floating solar collectors of plastics transparent top foil and back-up foil, sandwiching photovoltaic material coated support foil

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Abstract

The foils are water-tightly welded or glued. Intermediate spaces remain between the individual foils, which are inflated, eg. by compressed air thus adding to the buoyancy of the solar collectors on sea water surface and damping the impact in case of collision with ships. A liquid lighter than water, eg. alcohol, may be used for filling the space between the support and top foil, with the filled space forming an optical collector lens for focussing the solar radiation onto the photovoltaic layer.

Description

Schwimmende Solarkollektoren wurden vermutlich erstmalig in der Patentanmel­ dung DE 39 19 125 A1 beschrieben. Hier wurde davon ausgegangen, daß zwischen einer jeweils etwa 1 mm starken Deck- und Bodenfolie aus Polyethylen eine z. B. mit polykristallinem Silizium photoaktiv beschichtete dünne Trägerfolie eingeschweißt ist. Dank der geringen Dichte von Polyethylen von etwa 0,92 g/cm3 schwimmt ein solcher Solarkollektor an der Oberfläche von Meerwasser. Für Polyethylen haben deren Hersteller beim Einsatz als Mantelisolation von Unterwasserkabeln eine Le­ bensdauer von 30 Jahren garantiert.Floating solar collectors were probably first described in patent application DE 39 19 125 A1. Here it was assumed that a z. B. with polycrystalline silicon photoactively coated thin carrier film is welded. Thanks to the low density of polyethylene of about 0.92 g / cm 3, such a solar collector floats on the surface of sea water. When using polyethylene as a sheath insulation for underwater cables, their manufacturers have guaranteed a service life of 30 years.

Bisherige Zweifel, ob die maritime Solartechnik so niedrige Energieerzeugungs­ kosten wie bei heutigen Kernkraftwerken ermöglicht, konnten inzwischen ausge­ räumt werden. Für eine Schätzung wird angenommen, daß die heutige Regierung das Abschalten aller bisherigen Kernkraftwerke binnen spätestens 20 Jahren ver­ langt. Zur Erzeugung der bisher von KKWs produzierten etwa 150 Mrd kWh pro Jahr sind alternative andere Energieerzeugungssysteme zu installieren. Dabei kommen maritime Solarpontons mit Standort z. B. am Nordrand des Mittelmeeres z. B. vor Genua, wo die Sonneneinstrahlung etwa 2.000 kWh/m2 pro Jahr beträgt, in die nähere Wahl. Unterstellen wir zunächst für ein derartiges maritimes Solarponton lediglich einen Anlagenwirkungsgrad von 5%, so wird im Jahr eine elektrische Energie von 100 kWh/m2 aus der Sonneneinstrahlung gewonnen. Um zur gleichen Energieerzeugung wie bei den bisherigen deutschen KKWs zu gelangen, wird eine maritime Kollektorfläche von 1.500 km2 gebraucht. Diese Kolfektoroberfläche deckt sowohl den Tages- als auch den zwischenzuspeichernden Nachtstrombedarf und entspricht einer Sonnenscheindauer mit 1000 W/m2 im Schnitt von 5, 5 Stunden am Tag.Previous doubts as to whether maritime solar technology enables energy costs as low as today's nuclear power plants have now been cleared up. For an estimate, it is assumed that the current government will shut down all previous nuclear power plants within 20 years at the latest. Alternative energy generation systems have to be installed to generate around 150 billion kWh per year, which has so far been produced by NPPs. Here come maritime solar pontoons with location z. B. on the northern edge of the Mediterranean z. B. in front of Genoa, where the sun is about 2,000 kWh / m 2 per year, in the shortlist. If we initially only assume a system efficiency of 5% for such a maritime solar pontoon, an annual electrical energy of 100 kWh / m 2 is obtained from the solar radiation. A maritime collector area of 1,500 km 2 is required to achieve the same energy generation as the previous German NPPs. This colectorector surface covers both the daily and the nightly electricity needs to be stored and corresponds to a sunshine duration of 1000 W / m 2 on average of 5.5 hours a day.

Der die gesamte Energiebereitstellung aller etwa 15 deutschen KKWs überneh­ mende große schwimmende Solarpoton mit 1.500 km2 Oberrfläche kann in Form ei­ nes Quadrats mit etwa 40 km Kantenlänge auf dem Mittelmeer ausgelegt werden. Dabei beträgt der Flächenbedarf im Vergleich zur Fläche des Mittelmeeres von 3 Millionen km2 nur 0,05%, ist also in geographischer und biologischer Hinsicht unbe­ deutend. Wir unterstellen, daß das neue maritime Solarkraftwerk, um mit anderen Energieversorgungsunternehmen konkurrenzfähig zu sein, die Elektroenergie zu ei­ nem Preis von etwa 0,20 DM/kWh bereitstellen muß. Davon dient die Hälfte der Ein­ nahmen zur Deckung der Investitionskosten der Solaranlage, deren Lebensdauer zunächst auf etwa 20 Jahre geschätzt wird. Die andere Hälfte der Einnahmen soll die Stromverteilungs-, Wartungs- und Verwaltungskosten dekken. Unter Vernach­ lässigung von Zinsfaktoren stehen für die Investitionskosten:
The large floating solar pot with 1,500 km 2 surface taking over the entire energy supply of all 15 German NPPs can be designed in the form of a square with an edge length of around 40 km on the Mediterranean. The area requirement in comparison to the area of the Mediterranean of 3 million km 2 is only 0.05%, so it is insignificant in geographic and biological terms. We assume that the new maritime solar power plant, in order to be competitive with other energy supply companies, must provide the electrical energy at a price of around 0.20 DM / kWh. Half of the income is used to cover the investment costs of the solar system, the lifespan of which is initially estimated to be around 20 years. The other half of the revenue is intended to cover electricity distribution, maintenance and administrative costs. Neglecting interest factors, the investment costs are:

20 Jahre × 150 Milliarden kWh × 0,1 DM/kWh = 300 Mrd DM
20 years × 150 billion kWh × 0.1 DM / kWh = 300 billion DM

zur Verfügung. Dann darf ein Quadratmeter der auf dem Meer installierten Folie nicht teurer als 200,- DM sein. Unter Verwertung von in Sachbüchern und von Fir­ men genannten Richtwerten und Annahme einer Massenproduktion von weltweit mehreren Tausend km2 maritimen Solarfolien lassen sich näherungsweise die not­ wendigen Produktionskosten pro Quadratmeter Solarfolie abschätzen. Ein m2 Solar­ folie wiegt knapp 2 kg und kostet etwa 10,- DM. Der Silizium-Rohstoffpreis von etwa 20 DM/kg fällt angesichts der sehr dünnen amorphen Silizium-Schicht auf der inne­ ren Trägerfolie von unter 0,1 mm und einem Gewicht von nur 30 g mit 6,00 DM we­ nig ins Gewicht. Dagegen spielt der Energiebedarf z. B. zum Aufdampfen des amor­ phen Siliziums mit etwa 200 kWh/m2 und bei 0,2 DM/kWh somit 40 DM/m2 die we­ sentliche kostenbestimmende Rolle. In Summa kommt ein Quadratmeter Solarfolie auf unter 60,- DM und liegt somit bei etwa einem Viertel des durch Einnahmen von 20 Jahre Solarenergieverkauf gesetzten Investitionslimits von 200,- DM/m2.to disposal. Then a square meter of the foil installed on the sea should not be more than DM 200. Using the guide values mentioned in non-fiction and by companies and assuming mass production of several thousand km 2 of maritime solar film worldwide, the necessary production costs per square meter of solar film can be estimated. An m 2 solar film weighs just under 2 kg and costs around DM 10. The silicon raw material price of around DM 20 / kg falls due to the very thin amorphous silicon layer on the inner carrier film of less than 0.1 mm and a weight of only 30 g with a little weight of 6.00 DM. In contrast, the energy requirement z. B. for vapor deposition of the amor phen silicon with about 200 kWh / m 2 and at 0.2 DM / kWh thus 40 DM / m 2 we the significant cost-determining role. In Summa, one square meter of solar foil comes to less than DM 60, and is therefore about a quarter of the investment limit of DM 200 / m 2 set by the income from 20 years of solar energy sales.

Dieses Ergebnis steht im krassen Gegensatz zu den bisherigen Behauptungen unserer Energieversorgungsunternehmen (EVUs), daß die Sonnenenergie zu keiner Zeit mit der Kernenergie preislich konkurrieren kann. Dabei bedienen sich die EVUs der Erfahrungswerte, die z. B. an Hand des "Tausend-Dächer-Projekts" in Deutsch­ land in den zurückliegenden Jahren gewonnen wurden. Es wurden winzig kleine de­ zentralisierte Energieerzeugungsanlagen mit extrem großen zentralen Anlagen der EVUs verglichen. Das ist eine ähnlich unzulässige Art des Vergleichs, als wenn ein Schiffseigner den Aufwand für den Transport von 1000 Containern über den Atlantik einmal unter Einsatz eines 1000 Container fassenden großen Frachtschiffes mit dem völlig unwirtschaftlichen Transport jedes einzelnen Containers durch 1000 kleine Fischerboote vergleicht. Die EVUs haben vorsätzlich einen sinnvollen Ver­ gleich zwischen zentralen großen Kraftwerkseinheiten und Solaranlagen mit einem Leistungsvermögen aller heutigen etwa 15 Kernkraftwerke verhindert. Vorstehende leicht überprüfbare Kostenschätzung für maritime Solaranlagen beweist, daß die heutigen KKWs wirtschaftlich sinnvoll durch eine Großflächen-Solartechnik, die bis zum Ende unserer Erde überlebensfähig ist, ersetzt werden kann.This result is in stark contrast to the previous claims of our energy supply companies (EVUs) that solar energy to none Time with which nuclear energy can compete in price. The RUs use this the empirical values that z. B. on the basis of the "thousand roof project" in German country in recent years. There were tiny little de Centralized power generation plants with extremely large central plants RUs compared. This is a similarly inadmissible type of comparison as if one Shipowners spend the effort of transporting 1,000 containers across the Atlantic once using a large cargo ship with a capacity of 1000 containers the completely uneconomical transport of every single container by 1000 compares small fishing boats. The RUs have deliberately a sensible Ver right between central large power plant units and solar systems with one The capacity of all 15 nuclear power plants today is prevented. Above easily verifiable cost estimate for maritime solar systems proves that the Today's NPPs make economic sense thanks to large-scale solar technology that is viable at the end of our earth, can be replaced.

Der vorstehend angesetzte Wirkungsgrad der gesamten Anlage wurde mit 5% bewußt niedrig gewählt. Er kann durch technischen Fortschritt unter Vergleich be­ reits vorliegender Forschungsergebnisse mit großer Wahrscheinlichkeit bis auf über 10% gesteigert werden. Dann reicht die halbe Kollektorfläche, also etwa 750 km2 oder 0,025% der Mittelmeerfläche zum vollwertigen Ersatz heutiger deutscher KKWs aus. Dann darf aber ein Quadratmeter auch das Doppelte, also 400,- DM, kosten, was den Einsatz hochwertigerer Verfahren zur Beschichtung der photoakti­ ven Fläche z. B. durch Übergang auf andere Verfahrenstechnik oder bessere Halb­ leiterkombinationen ermöglicht. Zunächst seien jedoch die Möglichkeiten zur Wir­ kungsgradverbesserung durch eine andersartige Gestaltung der schwimmenden Solarkollektoren zur Diskussion gestellt, wobei anliegende Fig. 1 bis 4 der Ver­ anschaulichung dienen.The above efficiency of the entire system was deliberately chosen to be 5%. It is very likely that it can be increased to more than 10% through technical progress by comparing existing research results. Then half the collector area, i.e. about 750 km 2 or 0.025% of the Mediterranean area, is sufficient to fully replace today's German NPPs. But then a square meter may also double, i.e. 400, - DM, which requires the use of higher quality methods for coating the photoactive surface. B. by transition to other process technology or better semi-conductor combinations. First, however, the possibilities for efficiency improvement by a different design of the floating solar collectors are put up for discussion, with the attached FIGS. 1 to 4 used for illustration purposes.

Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf einen kleinen Ausschnitt des großflächigen schwimmenden Solarkollektors. Mit 1 sind die in der Patentschrift P 39 19 125 A1 näher beschriebenen Spüllöcher gekennzeichnet, 2 stellt die photovoltaisch aktiv beschichtete Zwischenfolie dar, deren Stromleitungen bei 3 in Folientunneln zu Nachbarzellen geführt werden. Fig. 1 shows the top view of a small section of the large-area floating solar collector. 1 with the flushing holes closer described in the patent P 39 19 125 A1 in Figure 2 illustrates the photovoltaically active intermediate coated film, the power lines are guided at 3 in foil tunnels to neighboring cells.

Bei den nachfolgenden Figuren wurde zur besseren Veranschaulichung die Dicke der Folien etwa zehnfach gegenüber der Wirklichkeit vergrößert dargestellt. In Fig. 2 sind mit 4 die obere, aus dem Meerwasser herausragende Deckfolie, mit 5 die photovoltaisch beschichtete Zwischen- bzw. Trägerfolie und mit 6 die im Meer schwimmende Bodenfolie gekennzeichnet. Zwischen Deck- und Bodenfolie wird nach Verlegen der Folie im Meer Preßluft in sich bildende Luftkammern (7, 8) ge­ füllt. Hierdurch wird der gesamte Kollektor erheblich über den Meeresspiegel ange­ hoben. Es kommt nur noch gelegentlich zum Überspülen der Deckfolie mit Meer­ wasser, wodurch die wirkungsgradmindernde Reflexion des Sonnenlichts durch überspülendes Wasser eingeschränkt wird. Zusätzlich mindert die Luft zwischen den Folien das Durchtreten von Spuren von Wasser ins Innere des Kollektors und sorgt zur Stoßdämpfung bei Kollisionen z. B. zwischen Folien mit einem versehentlich auf den Teppich gefahrenen Fischerboot.In the following figures, the thickness of the foils has been enlarged approximately ten times as compared to reality for better illustration. In FIG. 2, 4 denotes the top cover film protruding from the sea water, 5 the photovoltaically coated intermediate or carrier film and 6 the bottom film floating in the sea. Compressed air in air chambers ( 7 , 8 ) is filled between the top and bottom foils after laying the foil in the sea. As a result, the entire collector is raised significantly above sea level. There is only occasional rinsing of the cover film with sea water, which limits the efficiency-reducing reflection of sunlight by rinsing water. In addition, the air between the foils reduces the passage of traces of water into the interior of the collector and provides shock absorption in the event of collisions e.g. B. between foils with a fishing boat accidentally driven onto the carpet.

Laut Fig. 3 ist die obere Deckfolie (4) ähnlich einer Linse gestaltet. Deren Inhalt ist mit einer Flüssigkeit leichter als Wasser z. B. mit Alkohol (9) mit 0,8 g/cm3 gefüllt. Dadurch entsteht ein optische Linsensystem mit ähnlicher Wirkung wie bei Parabol­ spiegeln in Solaranlagen. Das auf die Außenseite der Deckfolie auftreffende Son­ nenlicht (10) wird unabhängig von der Stellung der Sonne so gebrochen, daß die gesamte Kollektoroberfläche gut mit Sonnenenergie versorgt wird. Damit wird der sogenannte Cosinus-Effekt bei flachen, ebenen Solarkollektoren aufgehoben und der Wirkungsgrad der Solaranlage von etwa 5 auf 6% erhöht.According to Fig. 3, the top cover sheet (4) is similar to a lens design. Their content is easier with a liquid than water z. B. filled with alcohol ( 9 ) at 0.8 g / cm 3 . This creates an optical lens system with an effect similar to that of parabolic mirrors in solar systems. The incident on the outside of the cover film Son nenlicht ( 10 ) is broken regardless of the position of the sun so that the entire collector surface is well supplied with solar energy. This eliminates the so-called cosine effect in flat, flat solar collectors and increases the efficiency of the solar system from about 5 to 6%.

Ein vergleichbarer Effekt kann laut Fig. 4 durch eine keilförmige Gestaltung der Deckfolie (11) ähnlich wie bei Dachschindeln erreicht werden. Dabei befindet sich die Photovoltaik (12) unmittelbar unter der in Richtung Sonnenlicht (10) geneigten Deckfolie. Das Anpressen an die Deckfolie kann mit Hilfe von Preßluft ähnlich wie in Fig. 2 oder mit Hilfe extrem leichtgewichtiger harter Schaumstoffkeile (13) erfolgen, so daß schließlich fast nur die Bodenfolie ins Meerwasser eintaucht.A comparable effect can be achieved according to FIG. 4 by a wedge-shaped design of the cover film ( 11 ) similar to that of roof shingles. The photovoltaic ( 12 ) is located directly under the cover film inclined in the direction of sunlight ( 10 ). The pressure on the cover sheet can be done with the help of compressed air similar to Fig. 2 or with the help of extremely lightweight hard foam wedges ( 13 ), so that finally almost only the bottom sheet is immersed in sea water.

Claims (4)

1. Maritimes, im Meerwasser schwimmendes Solarfoliensystem, bestehend aus ei­ ner plastischen, transparenten Deckfolie und einer unteren Bodenfolie, zwischen die eine elastische, die Photovoltaik tragende Trägerfolie wasserdicht eingeschweißt oder geklebt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Folien im In­ neren Zwischenräume verbleiben.1. Maritime, floating in sea water solar film system, consisting of egg ner plastic, transparent cover film and a lower bottom film, between which an elastic, the photovoltaic carrier film is welded or glued watertight, characterized in that between the individual films remain in the inner spaces . 2. Maritimes Solarfoliensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Folien unter Einsatz von z. B. Preßluft aufgeblasen werden, um dadurch das Schwimmen des Solarkollektors an der Oberfläche des Meerwassers zu erleichtern und im Falle einer Kollision zwischen Seefahrzeugen und dem Folienteppich den Stoß federelastisch abdämpfen zu können.2. Maritime solar film system according to claim 1, characterized in that the spaces between the foils using z. B. compressed air to thereby float the solar collector on the surface of the To facilitate sea water and in the event of a collision between sea vehicles and to be able to dampen the impact of the foil carpet. 3. Maritimes Solarfoliensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auffüllen des Zwischenraums zwischen Deck- und photovoltaischer Trägerfolie eine Flüssigkeit leichter als Wasser wie z. B. Alkohol dient, wobei dieser gefüllte Zwischenraum die Gestalt einer optischen Sammellinse hat, mit deren Hilfe weitge­ hend unabhängig vom Sonnenstand das Sonnenlicht auf die photovoltaisch aktive Schicht konzentriert wird.3. Maritime solar film system according to claim 1, characterized in that to fill the space between the cover and photovoltaic carrier film a liquid lighter than water such as B. alcohol is used, this filled Interspace has the shape of an optical converging lens, with the help of which Regardless of the position of the sun, the sunlight on the photovoltaically active Layer is concentrated. 4. Maritimes Solarfoliensystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfolie ähnlich Dachziegeln eine schräg auf das Sonnenlicht ausgerichtete große Kollektorfläche bildet, an deren Innenseite die photovoltaisch aktive Schicht angeordnet ist, wobei entweder zwischen der Träger- und der flach liegenden Bodenfolie Preßluft oder ein Keil z. B. aus hartem, leichten Schaumstoff für engen Kontakt zwischen Trägerfolie und der Innenseite der Deckfolie sorgen.4. Maritime solar film system, characterized in that the cover film is similar Roof tiles are a large collector surface that is oriented at an angle to the sunlight forms, on the inside of which the photovoltaically active layer is arranged, wherein either compressed air between the carrier and the flat-lying bottom film or a Wedge z. B. made of hard, light foam for close contact between the carrier film and the inside of the cover film.
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