DE19956878A1 - Photovoltaische Wandlereinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische Wandlereinrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie mit mindestens einem Modul (10) aus mindestens einer Abbildungsbaugruppe (11), die einen sich längs erstreckenden, zur Strahlungseinfallseite lichtdurchlässigen Hohlkörper (8) mit parallel zur Längsachse verlaufenden beiderseitigen Seitenwandbereichen (4) und einem mit einer Photozellenanordnung (3) bestückten Bodenbereich (9) aufweist. Eine auf Dauer wirkungsvolle Ausnutzung der Strahlungsenergie bei relativ kostengünstigem Aufbau wird dadurch erzielt, dass die Strahlungseinfallseite mit einer optischen Abbildungsstruktur (2) abgedeckt ist, die derart ausgebildet ist, dass die einfallende Strahlung bei Ausrichtung der Abbildungsbaugruppe (11) mit ihrer Längsachse in Ost-West-Richtung und senkrechten Einfall auf die Modulebene vollständig auf die Photozellenanordnung (3) gelenkt wird (Fig. 1a).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische Wandlereinrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie mit mindestens einem Modul aus mindestens einer Abbildungsbaugruppe, die einen sich längs erstreckenden, zur Strahlungseinfall­ seite lichtdurchlässigen Hohlkörper mit parallel zur Längsachse verlaufenden beiderseitigen Seitenwandbereichen und einem mit einer Photozellenanordnung bestückten Bodenbereich aufweist.

Eine Wandlereinrichtung dieser Art ist in der DE 198 37 189 C1 angegeben. Hierbei befindet sich eine Photozellenanordnung im unteren Bereich eines sich längs erstreckenden Hohlkörpers und ist mit einer Kühlflüssigkeit von der Rückseite her gekühlt, wobei die Flüssigkeit auch als Wärmetransportmittel zur Ausnutzung der Wärme dient. Die Ausnutzung der Strahlungsenergie auf lange Sicht ist bei einem derartigen Aufbau mit Schwierigkeiten verbunden.

In der US 5,498,297 ist eine weitere Wandlereinrichtung mit einer Abbildungs­ baugruppe gezeigt. Hierbei ist ein längsgerichteter, im Querschnitt trapez­ förmiger Hohlkörper lichteinfallsseitig mit einer das Licht auf die Photo­ zellenanordnung konzentrierenden Abdeckung versehen. Der Hohlkörper ist re­ lativ tief ausgebildet und es ist mit Schwierigkeiten verbunden, den mit den Photozellen versehenen Bodenbereich bei wechselnder Lichteinfallsrichtung mit dem Sonnenlicht zu beaufschlagen.

Ähnliche Schwierigkeiten ergeben sich auch bei einer in der US 4,711,972 vor­ geschlagenen Wandlereinrichtung, bei der außer einem äußeren Lichtkonzentra­ tor noch eine prismatische Zellenabdeckung auf den Photozellen vorgesehen ist. Beide Wandlereinrichtungen erfordern eine Nachführung.

In den fetzten Jahren sind die Preise für Photozellen in photovoltaischen Mo­ dulen erheblich gesunken. Dennoch bestimmen diese Zellen noch immer den Gesamtpreis der Module. Deshalb wurde nach Wegen gesucht, die Anzahl der photovoltaischen Elemente in einem Modul zu senken. Dies ist grundsätzlich möglich, indem ein solches photovoltaisches Modul mit optisch abbildenden Elementen versehen wird, die die einfallende Strahlung auf die Photozellen konzentrieren. In der Literatur lassen sich viele Vorschläge für hoch kon­ zentrierende Module finden. Diese hochkonzentrierenden Module weisen aber einige Nachteile auf.

Durch die hohe Konzentration erwärmen sich die Photozellen so stark, dass der Wirkungsgrad erheblich zurückgeht. Es müssen deshalb erhebliche Anstrengun­ gen zur Kühlung der Zellen unternommen werden.

Bei Konzentrationen mit einem hohen Gewinn wird eine Nachführung der opti­ schen Abbildung unumgänglich. Deshalb werden in der Regel diese Module dem Sonnengang nachgeführt (ein- oder zweiachsige Nachführung). Da die Module aber auch eine große Fläche abdecken müssen, um möglichst viel Sonnenstrahl lung zu empfangen, stellen die Module eine erhebliche Windlast dar. Auf einem Hausdach lässt sich ein zweiachsig nachgeführtes Modul nur noch mit unver­ tretbar großem mechanischem Aufwand wetterfest verankern. Zudem führt die optische Abbildung meist zu einem unzulässig tiefen Aufbau der Module, der die Windlast und das Eigengewicht noch weiter erhöht.

Die Komponenten des optischen Konzentrators weisen häufig starke Alterungs­ erscheinungen auf. So werden die Konzentratorkomponenten häufig aus Kunst­ stoff gefertigt. Bei direkter Einwirkung der Solarstrahlung auf diese Kom­ ponenten zerstört der UV-Anteil der Strahlung langfristig die Materialien. Bei einer Glasabdeckung (Linsen auf das Glas geklebt, Innenseite) könnte der UV- Schutz in die Abdeckung integriert sein.

Viele Materialien nehmen die Feuchtigkeit aus der Luft auf und verändern so ihre Struktur. Frei zugängliche Oberflächen verschmutzen und verlieren so an Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photovoltaische Wandlereinrich­ tung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der bei einfachem kos­ tengünstigem Aufbau eine auf Dauer wirkungsvolle Ausnutzung der Strahlungs­ energie erzielt wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass die Strahlungseinfallseite mit einer optischen Abbildungs­ struktur abgedeckt ist, die derart ausgebildet ist, dass die einfallende Strahlung evtl. bei Ausrichtung der Abbildungsbaugruppe mit ihrer Längsachse in Ost- West-Richtung und/oder horizontalen und senkrechten Einfall auf die Modul­ ebene vollständig auf die Photozellenanordnung gelenkt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Bei­ spielsweise ist es durch eine hermetisch dichte Kapselung der optischen Komponenten möglich, den Einfluss der Feuchtigkeit zu verhindern und den durch Verschmutzung und UV-Strahlung zu minimieren. Dazu ist das Modul mit einer entsprechenden Kunststoff- oder Glasplatte abgedeckt oder durch einen UV-Schutzlack geschützt.

Grundsätzliche Berechnungen des Erfinders zeigten, dass es für Konzentrationen mit einem Gewinn kleiner als etwa 2,5 möglich sein sollte, ohne Nachführung und ohne aufwendige Kühlung auszukommen. Damit könnten etwa oder sogar über die Hälfte der Photozellen eingespart werden. Es wurde deshalb nach kostengünstig herstellbaren Abbildungsgeometrien gesucht, die diesen Anfor­ derungen genügen.

In den Fig. 1a bis 3 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, an denen die Erfindung erläutert wird.

Der in den Fig. 1a bis 1c skizzierte Aufbau realisiert einen Gewinn von 2 : 1 und erfüllt die genannten Anforderungen.

In Fig. 1a ist ein Schnitt durch ein Modul 10 skizziert, das sich aus mehreren Abbildungsgruppen zusammensetzt. Die Abbildungsgruppen sind in einer Aus­ richtung beliebig lang ausführbar. Diese Längsachse wird entsprechend dem Tagesgang der Sonne in Ost-West-Richtung orientiert. In Fig. 1b ist die Sei­ tenansicht auf eine der Abbildungsgruppen skizziert. Im Jahresgang bewegt sich die Sonne im Azimuth entlang einem Winkel 1. Die Strahlung wird auf einer Photozellenanordnung bzw. Photodiode 3 abgebildet. Das Modul 10 ist so aus­ gerichtet, dass sich die Sonne zum Frühlings- und Herbstanfang mittags jeweils in etwa senkrecht über dem Modul 10 befindet. In dieser Stellung wird die Sonne über ein abbildendes Element bzw. einer Abbildungsstruktur 2 zentral auf das Photoelement abgebildet.

Die Abbildungsstruktur 2 ist in Fig. 1c noch einmal detaillierter dargestellt. Der mittlere Bereich 5 wird durch eine Zylinderlinse gebildet. Diese Zylinderlinse kann z. B. durch eine übliche Glaslinse, eine Fresnellinse, ein Hologramm oder eine diffraktive optische Struktur gebildet werden. Die sogenannte Numerische Apertur dieser Linse wird möglichst hoch gewählt. Erreichbar ist z. B. eine Numerische Apertur von 0,5. Der Randbereich 7 des abbildenden Elementes 2 soll Abbildungseigenschaften vorweisen, wie sie der mittlere Bereich 5 in Form der zentralen Struktur in ihrem Übergangsbereich zu dem Randbereich 7 auf­ weist. Wird im mittleren Bereich 5 z. B. eine Fresnellinse gewählt, so werden im Randbereich 7 Fresnel-Prismen verwendet, die den Prismen der Fresnellinse im Randbereich entsprechen. Bei der Verwendung einer Gitterstruktur der diffrak­ tiven Optik wird im Randbereich 7 ein Gitter verwendet, das vorzugsweise die Strahlung unter einem Winkel 6 ablenkt, wobei der Ablenkwinkel 6 der Numeri­ schen Apertur in etwa entsprechen sollte. Auch wenn eine höhere Numerische Apertur erzeugt werden kann, sollte die Breite des Randbereiches 7 der Breite der Photozellen 3 in etwa entsprechen. Der Gewinn ist dann entsprechend größer.

Im Sommer und Winter ändert sich die Richtung der Bahn der Sonne zur Modul­ ebene. Die Einstrahlung erfolgt dann unter einem Winkel 1 zur Modulebene. In diesem Fall fällt ein Teil des Sonnenlichtes auf seitliche Spiegel 4. Die Spiegel 4 sind so ausgerichtet und die Breite der Photozellenanordnung 3 ist so gewählt, dass im höchsten und tiefsten Punkt der Sonne die einfallende Strahlung über das abbildende Element 2 und den entsprechenden Spiegel 4 die Photozellenan­ ordnung 3 noch vollständig ausleuchtet. In Fig. 1b sind die Grenzstrahlen mit eingezeichnet. Bei einer höheren Numerischen Apertur sind die Spiegel 4 ent­ sprechend flacher anzuordnen.

Die Abbildungsqualität der zylindrisch abbildenden Struktur 5 ist nicht sehr we­ sentlich. Deshalb kann z. B. bei der Verwendung der diffraktiv abbildenden op­ tischen Komponenten die Linse durch aneinandergereihte Gitter, die in ihrem Ablenkwinkel entsprechend gestuft sind, angenähert werden. Entsprechendes gilt für die Verwendung von Fresnellinsen und Hologrammen.

Fresnellinsen werden vielfach aus Kunststoffen hergestellt, die einen hohen Brechungsindex aufweisen. Da die Kollektoroberfläche wegen der Verschmut­ zungsgefahr nach außen glatt sein soll, ist es vorteilhaft, die Fresnelstruktur auf der den Photoelementen zugerichteten Innenseite anzubringen. Wird die Wand­ lereinrichtung 12 nicht nachgeführt und eine hohe Numerische Apertur vorge­ sehen, so kann an der Fresnel-Prismenstruktur Totalreflektion auftreten. Es wird dann kaum möglich, bei schrägem Lichteinfall eine hohe Numerische Apertur zu erreichen. In diesem Fall ist es günstig, die Fresnelstrukturen auf der Innenseite einer gegeneinander geneigten sägezahnförmigen Oberfläche (Fig. 2a) oder auf der Innenseite einer gebogenen Fläche (Fig. 2b) anzubringen. Entsprechend ge­ formte Kunststofflinsen lassen sich anschließend zu einer einheitlichen - äußerlich glatten - Gesamtoberfläche zusammenfügen. Mit größeren Spritzwerk­ zeugen lässt sich auch eine entsprechend geformte Gesamtform erstellen, so dass das Zusammenfügen der Einzelzellen entfallen könnte.

Die spiegelnden Flächen können z. B. aus einem eloxierten Blech gewonnen wer­ den. Dies hat den Vorteil, dass das Blech nur gefaltet werden muss und auch zur Aufnahme der Photozellen verwendet werden kann.

Wird diese Struktur in einem Rahmen eingebaut, so kann dieses Modul luftdicht verschlossen werden.

Geeignet ist auch eine Kühlung der Photozellen, wie sie an sich in der DE 198 37 189 C1 angegeben ist. Es ist auch denkbar, den gesamten Raum zwischen dem abbildenden Element 2 und der Photozellenanordnung 3 mit einer (Kühl- Flüssigkeit zu füllen. Damit könnte man auch die Reflektionsverluste an der unteren Oberfläche der abbildenden Struktur 2 verringern.

Lässt man die Rückseite der so gefalteten Spiegel-Blechstruktur frei (ohne zu­ sätzliche Abdeckung), so wird die Oberfläche, über die die Photozellen ihre Wärme abgeben können, vergrößert. Durch die Faltenstruktur erhält das Modul zusätzliche Festigkeit.

In Fig. 3 ist eine günstige Orientierung des Moduls 10 zur Sonne dargestellt. Das Modul 10 wird so ausgerichtet, dass die optische Achse 12 und die Längs­ achse des Moduls parallel zur Äquatorebene 13 orientiert sind. Die Erde um­ kreist (genauer Erde und Mond umkreisen) die Sonne in der Ekliptikebene 15. Dabei rotiert die Erde um ihre Achse 14. Bei dieser Orientierung des Moduls kann die auf das Abbildungselement 2 einfallende Strahlung beim höchsten und beim tiefsten Stand der Sonne noch über die Spiegel auf die Photozellen abge­ bildet werden.

Claims (16)

1. Photovoltaische Wandlereinrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie mit mindestens einem Modul (10) aus mindestens einer Abbildungsbaugruppe (11), die einen sich längs erstreckenden, zur Strahlungseinfallseite lichtdurchlässigen Hohlkörper (8) mit parallel zur Längsachse verlau­ fenden beiderseitigen Seitenwandbereichen (4) und einem mit einer Photozellenanordnung (3) bestückten Bodenbereich (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseinfallseite mit einer optischen Abbildungsstruktur (2) abgedeckt ist, die derart ausgebildet ist, dass die einfallende Strahlung bei Ausrichtung der Abbildungsbaugruppe (11) mit ihrer Längsachse in Ost-West-Richtung und senkrechtem Einfall auf die Modulebene vollstän­ dig auf die Photozellenanordnung (3) gelenkt wird.

2. Wandlereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwandbereiche (4) auf ihrer dem Hohlraum zugekehrten Innenseite als Spiegel (4.1) ausgebildet und so ausgerichtet sind und die Breite der Photozellenanordnung so gewählt ist, dass die auf die Abbil­ dungsstruktur (2) einfallende Strahlung über die Abbildungsstruktur (2) und den jeweils wirksamen Spiegel (4.1) noch vollständig auf die Photo­ zellen abgebildet wird.

3. Wandlereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich längs erstreckender mittlerer Bereich (5) der Abbildungs­ struktur (2) als Zylinderlinse ausgebildet ist.

4. Wandlereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlinse als Glaslinse, Fresnellinse, Hologramm oder eine diffraktive Struktur ausgebildet ist.

5. Wandlereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Numerische Apertur des mittleren Bereiches (5) mindestens 0,4 beträgt.

6. Wandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich beiderseits des mittleren Bereiches (5) jeweils ein Randbereich (7) der Abbildungsstruktur (2) anschließt, der Abbildungseigenschaften entsprechend einem Übergangsbereich des mittleren Bereichs (5) besitzt.

7. Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (8) im Querschnitt trapezförmig ist, wobei die op­ tische Abbildungsstruktur (2) die Basisseite bildet und sich die Photo­ zellenanordnung im Wesentlichen über die gegenüberliegende parallele kurze Seite erstreckt, während die schrägen Seiten von den innen spie­ gelnd ausgelegten Seitenwandbereichen gebildet sind.

8. Wandlereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Randbereiche (7) zusammen der Breite der Photo­ zellenanordnung (3) entspricht.

9. Wandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer Gitterstruktur der diffraktiven Optik im Randbereich (7) ein Gitter verwendet ist, das die einfallende Strahlung unter einem Ablenkwinkel (6) ablenkt, der der Numerischen Apertur in etwa entspricht.

10. Wandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der mittlere Bereich (5) der Abbildungsstruktur (2) durch in ihrem Ablenkwinkel gestufte Abbildungselemente gebildet ist.

11. Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (8) aus einem abgekanteten Blech geformt ist, das auf der Innenseite zumindest im Bereich der Seitenwandbereiche (4) ver­ spiegelt ist.

12. Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (10) mittels der Abbildungsstruktur (2) und Abdicht­ mitteln luftdicht verschlossen sind.

13. Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photozellenanordnung (3) von der Rückseite her oder vom Inneren her mittels in dem Hohlkörper befindlicher Flüssigkeit oder eines strömenden Fluids gekühlt ist.

14. Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsstruktur (2) auf ihrer dem Inneren des Hohlkörpers (8) zugekehrten Seite die abbildenden Einzelstrukturen (2.1) aufweist.

15. Wandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die abbildenden Einzelstrukturen (2.1) der Abbildungsstruktur (2) auf deren Außenseite angeordnet sind und
dass die Außenseite der Abbildungsstruktur (2) mit einer strahlungs­ durchlässigen Scheibe abgedeckt ist.

16. Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsstruktur (2) im Großen flach, nach oben beidseitig schräg verlaufend oder nach oben gewölbt ausgebildet ist.