DE202007000529U1 - Konzentrator-Photovoltaik-Vorrichtung mit zusätzlicher thermischer Nutzung sowie damit versehene Anlage - Google Patents
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Abstract
Photovoltaik-Vorrichtung
(12) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie
mit:
einer aus einem lichtdurchlässigen Material gebildeten Lichteintrittsplatte (28),
einer Vielzahl von Solarzellen (20), die jeweils in Abstand von der Lichteintrittsplatte (28) auf deren sonnenabgewandten Seite angeordnet sind und eine kleinere Fläche als eine Lichteintrittsfläche (24) der Lichteintrittsplatte (28) einnehmen,
einer Fresnellinsen-Struktur (22) zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche (24) eintretenden Sonnenstrahlung auf die kleineren Flächen der Solarzellen (20),
einer Wärmeableitungseinrichtung (40), die zum Ableiten von in der Photovoltaikvorrichtung (12) durch Sonnenstrahlung entstehender Wärmeenergie mittels eines Wärmeträgermediums (52) und zum Zuleiten des so erwärmten Wärmeträgermediums (52) zu einer thermischen Nutzung (14) dient,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Solarzellen (20) auf einer von der Lichteintrittsplatte (28) beabstandet angeordneten ein- oder mehrteiligen wärmeleitfähige Grundplatte (32) angeordnet sind, wobei auf der der Sonne zugewandten Seite der Grundplatte (32) einen hoch-selektiven Absorber (60) für Solarthermiezwecke ausgebildet ist,...
einer aus einem lichtdurchlässigen Material gebildeten Lichteintrittsplatte (28),
einer Vielzahl von Solarzellen (20), die jeweils in Abstand von der Lichteintrittsplatte (28) auf deren sonnenabgewandten Seite angeordnet sind und eine kleinere Fläche als eine Lichteintrittsfläche (24) der Lichteintrittsplatte (28) einnehmen,
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dadurch gekennzeichnet,
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1. wie sie aus dem Artikel A.W. Bett et. Al: FLATCON AND FLASHCON CONCEPTS FOR HIGH CONCENTRATION PV. Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite 2488 bekannt ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein photovoltaisches Modul (PV-Modul) zum direkten Umwandeln von Licht in elektrische Energie, bei der das einfallende Licht vor dem Auftreffen auf eine Mehrzahl viel kleinerer Solarzellen konzentriert wird (PV-Konzentratormodul). Auch betrifft die Erfindung eine Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie, welche wenigstens eine, bevorzugt mehrere solcher Photovoltaik-Vorrichtungen (PV-Konzentratormodule) aufweist.
- Eine Möglichkeit zur Nutzung der Solarenergie ist die Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme, wie sie als Solarthermie bekannt ist. Eine typische Anwendung ist der Sonnenkollektor. Solarthermische Anwendungen sind um so effizienter, je mehr von der Sonneneinstrahlung absorbiert wird und je weniger der dabei entstehenden Wärme durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wärmeübertragung verloren geht. Um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, verfügen sogenannte Absorber von Sonnenkollektoren über eine selektive Beschichtung. Diese hat eine besonders hohe Aufnahmefähigkeit (Absorptionsgrad) für den Spektralbereich des Sonnenlichts, in dem die meiste Energie eingestrahlt wird, während die Abstrahlung infraroter Wärmestrahlung durch einen geringen Emissionsgrad minimiert wird. Einfache schwarze Farbe nimmt dagegen Strahlung so gut auf wie sie Wärmestrahlung abgibt.
- Die direkte Nutzung der Solarenergie geschieht üblicherweise über Sonnenkollektoren in thermischen Solaranlagen. Handelsübliche Kollektoren erreichen Wirkungsgrade zwischen 60% und bis über 70%. Das heißt, sie wandeln 60% bis 70% der auf die Kollektorfläche auftreffenden Sonnenenergie in nutzbare Wärme um. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m2 ein.
- Weiter gibt es Sonnenwärmekraftwerke bei denen die Sonnenenergie mit Spiegeln gebündelt wird, wodurch am Brennpunkt Temperaturen bis zu 1300° erzielt werden, die industriell gut nutzbar sind. Die hohen Energiekonzentrationen werden mit einem Dampfkraftwerk oder einem Stirlingmotor in mechanische Energie und anschließend mit einem Stromgenerator in elektrische Energie umgewandelt.
- Bei einem Flachkollektor treffen die durch eine Glasplatte (möglichst aus Solarglas) einfallenden Sonnenstrahlen auf einen Absorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird kurzwellige, energiereiche Strahlung in langwellige Strahlung (Wärmestrahlung) umgewandelt. Die dabei freiwerdende Wärme darf nicht verloren gehen, weshalb der Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Wärme, die nicht direkt vom Absorber aufgenommen oder von diesem als Emission wieder abgestrahlt wird, wird durch die Glasscheibe zurück reflektiert. Sie ist somit im Kollektor gefangen. Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf die in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren fließende Wärmeträgerflüssigkeit. Diese transportiert die gesammelte Wärmeenergie zu einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher.
- Der Absorber soll direkte und diffuse Strahlung möglichst gut auffangen und in Wärme umwandeln (Absorption). Zugleich soll er möglichst wenig Wärme wieder in Form von Strahlung abgeben (Emission). Er soll sich selektiv verhalten.
- Um die Energieverluste zu minimieren wird in wenig sonnenverwöhnte Ländern auf hoch-selektive Beschichtungen gesetzt, die Absorptionswerte über 90% und Emissionswerte unter 10% aufweisen. Eine der möglichen Beschichtungen ist die Schwarzchrom-Beschichtung. Sie wird in einem galvanischen Verfahren auf das aus Kupfer oder Aluminium bestehende Absorberblech aufgebracht.
- Am verbreitetsten ist heute eine aufgesputterte Schicht auf Titanbasis mit blauer Farbe auf dem Markt, die gegenüber Schwarzchrom zwar leicht schlechtere Absorptionswerte aufweist, aber dafür deutlich niedrigere Emissionswerte und damit insgesamt einen besseren Wirkungsgrad erreicht.
- Derzeit besonders gute Absorberschichtsysteme sind unter den Handelnamen „sunselect" und „mirotherm" von der Fa. ALANOD-SUNSELECT GmbH & Co. KG, Sohnreystraße 21, 37697 Lauenförde erhältlich. Diese Absorberschichtsysteme lassen sich in solarthermischen Anlagen entsprechend zum Bilden eines Absorberkörpers einbringen.
- Bei allen üblichen Absorberschichtsystemen ist die Lichteintrittsschicht eine Entspiegelungsschicht.
- Neben der Beschichtung unterscheiden sich Absorber verschiedener Hersteller auch in ihrem prinzipiellen Aufbau. Häufig sind Absorber, die aus einzelnen Finnen in Form von etwa 10–15 cm schmalen Streifen bestehen, auf deren Rückseite jeweils ein dünnes Rohr aufgeschweißt ist, die dann an beiden Enden in einem Sammelrohr eingelötet werden, so dass eine Art „Harfe" entsteht. Daneben gibt es Flächenabsorber, die aus einem einzigen Absorberblech bestehen; die Verrohrung ist bei diesen meist serpentinartig auf der Rückseite aufgelötet oder geschweißt. Eine dritte Bauform sind die Kissenabsorber. Wie Flächenabsorber bestehen sie aus einem einzigen durchgehenden Absorberblech, auf die aber rückseitig statt eine Rohrleitung ein pressgeformtes zweites Blech aufgebracht ist; die Wärmeträgerflüssigkeit strömt zwischen diesen beiden Blechen.
- Zwar finden solarthermische Anlagen in jüngster Zeit immer breitere Verwendung, insbesondere bei der Heizung von Gebäuden und der Warmwasserversorgung. Die Erzeugung elektrischer Energie aus durch solche Anlagen erzeugter thermischer Wärme ist jedoch mit hohem Aufwand und hohen Verlusten verbunden, so dass diese Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie kaum genutzt werden.
- Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist aber ca. seit 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium auch direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Die Leistung dieser Solarzellen ist allerdings relativ gering, da sie nur ein begrenztes Spektrum der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom umwandeln. Große Erfolge in Richtung auf eine deutlich höhere Effizienz mit über 39% Umwandlung der Solarstrahlung sind in den letzten Jahren mit Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen (III-IV- Halbleitermaterial) wie z.B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt worden.
- Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Tandem-, Tripelzellen oder Vierfach-Stapelzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch ein breiteres Licht-Frequenzspektrum. Die großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch sehr kostenintensiv. Es wurde daher im Stand der Technik – siehe der eingangs erwähnte Artikel von Bett et al. – der Ansatz gewählt, das einfallende Sonnenlicht auf eine sehr kleine Fläche von z.B. unter 1 mm2 zu konzentrieren. Nur für diese kleine Fläche ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz kann dann bei unter 1% gegenüber dem flächigen Einsatz solcher Zellen liegen. Durch die Konzentration lässt sich die hohe Lichtausbeute von Hochleistungs-PV-Zellen von z.Zt. über 39% nutzen. Da nur die Verbindung mehrerer Solar-Einheiten einen wirtschaftlichen Einsatz eines solchen PV-Systems ermöglicht, werden diese vorzugsweise zu einem PV-Konzentratormodul zusammengefasst.
- Diese Hochleistungs-PV-Zellen sind sehr empfindlich gegen Umwelteinflüsse, bereits Staubkörner und kleine Schmutzpartikel oder Feuchtigkeit können ihre Funktion beeinträchtigen. Daher werden die Solarzellen einzelner Module in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht. Eine Fresnellinse – genauer eine Platte mit einer Vielzahl von Fresnellinsenfeldern – dient als Lichteintrittsplatte und optische Einheit zum Konzentrieren des durch diese Lichteintrittsplatte einfallenden Sonnenlichts auf die viel kleineren Solarzellen. Gleichzeitig bildet diese Fresnellinse die obere Seite des Modulgehäuses, welches seitlich durch Seitenplatten und unten durch eine Grundplatte abgeschlossen ist, auf dem die einzelnen Solarzellen rasterartig angeordnet sind.
- Problematisch bei solchen PV-Konzentratormodulen ist jedoch, dass die hohe Konzentration des Sonnenlichts auf die kleinen Solarzellen zu einer extremen Erwärmung der Solarzellen führen kann. Dieses Problem wird noch durch das geschlossene Gehäuse verstärkt. Es gilt daher, eine effektive Konstruktion zur Abführung der auftretenden Wärme aufzufinden. Diese Probleme bestehen auch bei in letzten Jahren vorgestellten Konzentratorsystemen mit kleinflächigen Optiken, die ebenfalls z.T. eine mehr als 500-fache Konzentration des Sonnenlichts ermöglichten, fort. Die Artikel A.W. Bett et al. FLATCON AND FLASHCON CONCEPTS FOR HIGH CONCENTRATION PV, Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite 2488 sowie der Artikel G. Siefer et al. ONE YEAR OUTDOOR EVALUATION OF A FLATCON CON-CENTRATOR MODULE, Proc. 19th European Photovoitaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite 2078 beschreiben den derzeitigen Stand der Technik zu solchen PV-Konzentratormodulen, der den Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 bildet.
- Insbesondere ist die Abführung hoher Wärmekonzentrationen aus der näheren Umgebung der Solarzellen nicht optimal gelöst. Diese Abführung der Wärmekonzentration aus der näheren Umgebung der Solarzelle spielt aber eine besondere Rolle, da der Wirkungsgrad einer Solarzelle rasch mit der Zunahme der Temperatur abnimmt. Bei den oben erwähnten bekannten PV-Konzentratorsystemen werden die hohen Wärmekonzentrationen aus der näheren Umgebung der Solarzellen eines PV-Konzentratormoduls mittels passiver Luftkühlung abgeführt (dazu siehe den Artikel Gerhard P. Willeke HOCHKONZENTRIERENDE PHOTOVOLTAISCHE GROSSANLAGEN, Stand und Perspektiven, Seite 61 unter www.fv- sonnenenergie.de/fileadmin/fvsonne/publikationen/Hochkon_01.pdf). Eine lediglich passive Luftkühlung ist wenig effektiv, so dass die Solarzellen zu stark erwärmt werden und ihr Wirkungsgrad sinkt. Eine aktive Kühlung würde aber wiederum einen Teil der gewonnenen Energie aufzehren.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 derart auszubilden, dass die Sonnenenergie besser ausgenutzt wird.
- Diese Aufgabe wird durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Erfindungsgemäß wird somit eine Photovoltaik-Vorrichtung geschaffen, mit der Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandelbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Lichteintrittsplatte aus lichtdurchlässigem Material auf, durch welche die Sonnenstrahlen eintreten. Weiter gibt es eine Vielzahl von Solarzellen, die jeweils im Abstand von der Lichteintrittsplatte auf deren sonnenabgewandten Seiten angeordnet sind und insgesamt eine kleinere Fläche als die Lichteintrittsfläche der Lichteintrittsplatte haben. Eine optische Einheit konzentriert die durch die Lichteintrittsfläche eintretende Sonnenstrahlung auf die kleinere Fläche der Solarzellen. Die Solarzellen können so auch aus teuerem Material und insbesondere als Hochleistungs-Photovoltaikzellen ausgebildet sein. Aufgrund der kleinen Fläche sind die Kosten dennoch handhabbar. Das eintretende Licht wird durch die optische Einheit auf diese kleineren Flächen projiziert. Weiter ist nun erfindungsgemäß eine Wärmeableitungseinrichtung vorgesehen, die die Wärmeenergie, welche durch die so erfolgende Sonneneinstrahlung in die Photovoltaik-Vorrichtung eintritt und somit zum Erhitzen der Solarzellen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad der Solarzellen führt, mittels eines Wärmeträgermediums aufnimmt und aktiv abführt. Die Wärmeableitungsvorrichtung ist weiter derart ausgebildet, dass sie das Wärmeträgermedium anschließend einer thermischen Nutzung zuführt.
- Auf diese Weise werden nicht nur die Solarzellen mittels des Wärmeträgermediums gekühlt, die abzuführende Wärmeenergie wird zusätzlich noch auf andere Wege genutzt.
- Die thermische Nutzung kann zu Heizzwecken oder Wärmezwecken, wie beispielsweise zur Erwärmung von Gebäuden, zum Erhitzen oder zum Erwärmen von Brauchwasser usw. eingesetzt werden. Es ist auch möglich, mit der so erhaltenen Wärmeenergie Kühlvorrichtungen zu betreiben.
- Entsprechende Kühlvorrichtungen, welche mittels Wärmeenergie unter Abgabe der Wärme auf einem anderen Temperaturniveau eine Kühlwirkung erzeugen, sind als Absorptionskälteanlagen bekannt und werden beispielsweise von den japanischen Herstellern Nishiyodo und Mayekawa angeboten. Entsprechend kann mit solchen Vorrichtungen die durch das Wärmeträgermedium gelieferte Wärmeenergie auch für eine Kühlwirkung ausgenutzt werden. Nachdem die hier in Rede stehenden Photovoltaik-Vorrichtung ihren besten Wirkungsgrad in Ländern mit einer hohen Sonneneinstrahlung erzielen, ist es besonders interessant, die aus den Photovoltaik-Vorrichtungen abgeführte Wärmeenergie zur Betreibung von Klimaanlagen zu verwenden.
- Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung kann auch für jede andere thermische Nutzung, wofür heute auch bekannte solarthermische Anlagen einsetzbar sind, ausgenutzt werden. So könnte mit der Wärmeenergie auch mechanische Arbeit verrichtet werden und auch über diesen Umweg Strom erzeugt werden.
- Die Lichteintrittsplatte und die optische Einheit sind vorzugsweise, wie dies grundsätzlich bereits bekannt ist, als eine Einheit ausgeführt, indem nämlich die Lichteintrittsplatte als Fresnellinse ausgeführt ist oder genauer eine Vielzahl solcher Fresnellinsen (-Felder) aufweist. Vorzugsweise ist die Lichteintrittsplatte in mehrere Felder aufgeteilt, denen jeweils eine Solarzelle zugeordnet ist, wobei in jedem Feld eine Linsenstruktur die dort eintretende Lichtstrahlung auf die jeweilige Solarzelle konzentriert.
- Die Solarzellen sind weiter bevorzugt auf einer von der Lichteintrittsplatte beabstandeten Grundplatte insbesondere rasterförmig angeordnet. Die Lichteintrittsplatte und die Grundplatte können die Oberseite und die Unterseite eines hermetisch geschlossenen Gehäuses bilden, wobei die Solarzellen im Inneren angeordnet sind. Dadurch sind die Solarzellen gut vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor Schmutz, Feuchtigkeit oder dergleichen geschützt. Die in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse, in das Licht einstrahlt, entstehende Wärme lässt sich durch die erfindungsgemäße Wärmeableitungsvorrichtung leicht handhaben und abführen.
- Die Wärmeableitvorrichtung kann dann innerhalb des Gehäuses angeordnet sein und beispielsweise durch eine mehrfach innerhalb des Gehäuses geführte Rohrleitung eventuell mit Rippen oder Finnen gebildet sein.
- In bevorzugter Ausgestaltung ist aber die Grundplatte aus einem wärmeleitfähigen Material ausgebildet, um so die Wärme aus dem Gehäuse aufzunehmen.
- Wenn die Grundplatte aus einem sehr gut wärmeleitenden Material gebildet ist, kann man dann durch Kontaktieren der Grundplatte mit dem Wärmeträgermedium eine Kühlung der Grundplatte und eine Übertragung der Wärme auf das Wärmeleitmedium erreichen.
- Hierzu ist die Grundplatte bevorzugt Teil einer Wärmetauscheinheit zum Abführen der Wärme von der Grundplatte zu dem Wärmeträgermedium.
- Die Grundplatte kann insbesondere auf die verschiedenen Arten ausgebildet sein, wie dies bei Absorbern im einleitend erwähnten Stand der Technik zur Solarthermie bekannt ist.
- Bevorzugt sind Rohrleitungen für das Wärmeträgermedium ausgebildet, die mit der Grundplatte in Kontakt stehen oder auch durch die Grundplatte führen oder zumindest teilweise durch die Grundplatte gebildet werden.
- In bevorzugter Ausgestaltung kann die Grundplatte auch mit Absorbermaterial ausgestattet sein, wie sie aus der Solarthermie bekannt sind und in der Beschreibungseinleitung näher erläutert sind.
- Demnach kann die Wärmeableitvorrichtung einen selektiven Absorber aufweisen, welcher kurzwellige Sonnenstrahlung, beispielsweise Streulicht innerhalb des Gehäuses, aufnimmt, längerwellige Strahlung aber absorbiert. Auf diese Weise strahlt der Absorber insbesondere in das Gehäuse hinein keine oder nur geringe Wärmestrahlung ab, so dass die zur Verfügung stehende Wärme, insbesondere die in die Solarzellen eingeleitete Wärme über Kontaktwärmeleitung, voll in das Wärmeträgermedium abgeführt werden kann und der thermischen Nutzung zugeführt werden kann, wobei zusätzlich auch noch Streulicht zur Wärmeerzeugung ausnutzbar ist.
- Die Grundplatte kann einstückig aufgebaut sein, oder ist (bevorzugt) in mehrere Felder aufgeteilt, mit Dehnfugen dazwischen. Eine gute Verteilung der Kühlwirkung des Wärmeträgermediums lässt sich durch die gut leitende Grundplatte erreichen, so dass die Wärme von jeder der rasterförmig angeordneten Solarzellen abführbar ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann man auch ein Rohrleitungssystem der Wärmeableitvorrichtung derart vorsehen, dass das Wärmeträgermedium zu jeder der Solarzellen zwecks Kühlung derselben und Abführung der Wärme zur thermischen Nutzung hingeführt wird.
- Die Rohrleitungen können hierzu serpentinenartig ausgebildet sein und/oder es können mehrere Rohrleitungen vorgesehen sein, die an ihren beiden Enden in Sammelrohre für den Vorlauf und Rücklauf des thermischen Nutzungssystem münden.
- In besonders kostengünstiger Ausführung wird ein entsprechendes Leitungssystem einfach an der der Lichteintrittsfläche abgewandten Seite des Absorbers bzw. der Grundplatte angebracht, insbesondere geschweißt oder gelötet. Das Leitungssystem ist vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Kupfer, ausgebildet, wie dies auch bei Solarthermieanlagen bekannt ist.
- Das Wärmeträgermedium wird vorzugsweise je nach gewünschter thermischer Nutzung sowie gewünschter Kühlwirkung der Solarzellen ausgewählt. Als Wärmeträgermedien können flüssige und/oder gasförmige Stoffe eingesetzt werden. Besonders einfach sind Flüssigkeiten handzuhaben, die über den gesamten zu erwartenden Temperaturbereich flüssig bleiben; beispielsweise können hier Wasser, Öle oder Emulsionen eingesetzt werden, wie sie auch in Heizungssystemen oder Kühlsystemen Verwendung finden. Es ist aber auch möglich, Wärmeträgermedien einzusetzen, welche in der Wärmeableitungseinrichtung verdunstet werden, um so die Verdunstungsenergie zur Kühlung der Solarzellen einzusetzen. Das Wärmeträgermedium wird dann im gasförmigen Zustand der thermischen Nutzung zugeführt, wo es unter Verflüssigung seine Wärmeenergie wieder abgibt.
- Eine entsprechende Anlage, die aus einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung sowie der entsprechenden Vorrichtung zur Nutzung der thermischen Energie zusammengesetzt ist, bildet den Gegenstand des Nebenanspruchs.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
-
1 eine schematische teilweise Schnittansicht durch eine Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie mit einer Photovoltaik-Vorrichtung in Form eines Konzentrator-Photovoltaik-Moduls und einer Vorrichtung zum Nutzen thermischer Energie; und -
2 eine perspektivische Ansicht einer in der Photovoltaik-Vorrichtung von1 eingesetzten Wärmeableitungseinrichtung, welche Wärmeenergie von Solarzellen der Photovoltaik-Vorrichtung abführt und einer thermischen Nutzung zuführt. - In
1 ist eine Anlage10 zur Nutzung der Sonnenenergie dargestellt, die eine Mehrzahl von Photovoltaik-Vorrichtungen in Form von Konzentrator-Photovoltaik-Modulen12 (nur ein solches Modul ist dargestellt) und wenigstens eine Vorrichtung14 zur thermischen Nutzung von durch die Konzentrator-Photovoltaik-Module12 gelieferter Wärmeenergie aufweist. - Jedes Modul
12 weist ein Gehäuse16 auf, in dem eine Vielzahl von jeweils mit einer Solarzelle20 versehenen Photovoltaik-Einrichtungen18 untergebracht ist. Jede Photovoltaik-Einrichtung18 weist eine optische Einheit in Form eines Fresnellinsenfeldes22 sowie die zugehörige, von dem Fresnellinsenfeld22 beabstandete Solarzelle20 auf. Das Fresnellinsenfeld22 ist jeweils so ausgebildet, dass es das durch ihre jeweilige Lichteintrittsfläche24 eintretende Licht – graphisch dargestellt durch Sonnenstrahlen26 – auf die gegenüber der Lichteintrittsfläche24 viel kleinere Solarzelle konzentriert. Beispielsweise beträgt die Fläche der Solarzelle20 nur ein Prozent der zugehörigen Lichteintrittsfläche24 , und die jeweilige Fresnellinsenstruktur konzentriert das durch die Lichteintrittsfläche24 eintretende Licht 100-fach auf die Solarzelle20 . Die einzelnen Photovoltaik-Einrichtungen18 sind rasterartig nebeneinander angeordnet. Hierzu sind die einzelnen Fresnellinsenstrukturen als Felder22 einer Lichteintrittsplatte28 aus Glas oder dergleichen lichtdurchlässigen Material ausgebildet. Die Lichteintrittsplatte28 bildet den oberen Abschluss des Gehäuses16 . - Das Gehäuse
16 ist seitlich durch Seitenwände30 und unten durch eine ein- oder mehrteilige Grundplatte32 abgeschlossen. Auf der Grundplatte32 sind die einzelnen Solarzellen20 entsprechend dem Raster der Fresnellinsenfelder22 jeweils in deren Konzentrierungsflächen angeordnet. - Die Grundplatte
32 besteht hauptsächlich aus einem gut wärmeleitfähigen Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Auf der Grundplatte32 sind zusätzlich einzelne gegenüber der Grundplatte elektrisch isolierte Leiterbahnen zur Kontaktierung der Solarzellen20 durch bekannte Techniken aufgebracht. Diese Leiterbahnen34 (siehe2 ) sind an den einen Pol der Solarzellen angeschlossen, während der andere Pol der Solarzellen mit der Grundplatte32 kontaktiert ist. - Neben diesen elektrischen Eigenschaften zum Anschließen der Solarzellen
20 dient die Grundplatte32 aufgrund ihres wärmeleitfähigen Materials dazu, Wärme von den Solarzellen20 abzuleiten. Die Grundplatte32 ist somit Teil einer Wärmeableiteinrichtung40 , die insgesamt in2 dargestellt ist. Auf der der Lichteintrittsfläche28 abgewandten Seite der Grundplatte32 hat die Wärmeableiteinrichtung40 ein Leitungssystem mit Kupferrohrleitungen44 , durch welches ein Wärmeträgermedium wie insbesondere Wasser oder Öl fließen kann. Das Leitungssystem42 ist insgesamt in1 angedeutet. - Wie aus
2 ersichtlich, ist in unmittelbarer Nähe zu jeder Reihe von Solarzellen20 jeweils eine der Kupferrohrleitungen44 geführt. Die eine Mündung jeder Kupferrohrleitung44 mündet in ein Vorlauf-Sammelrohr46 und das andere Ende mündet jeweils in ein Rücklauf-Sammelrohr48 . Von dem Vorlauf-Sammelrohr46 führt eine Vorlauf-Leitung50 das Wärmeträgermedium52 zu der Vorrichtung14 zur thermischen Nutzung, wo die Wärmeenergie thermisch ausgenutzt wird. Als Vorrichtung14 zur thermischen Nutzung dient eine Heizung eines Gebäudes, eine Wassererwärmungsanlage für Brauchwasser oder dergleichen, eine Einrichtung zur Erzeugung von mechanischer Energie, eine Klimaanlage oder Absorptionskälteanlage, die mittels Wärme betreibbar ist, oder eine ähnliche Vorrichtung. Die Aufzählung von Beispielen für solche Vorrichtungen14 zur thermischen Nutzung ist nicht abschließend. In1 ist diese Vorrichtung14 daher nur als Block dargestellt. - Von dieser Vorrichtung
14 zur thermischen Nutzung ist eine Rücklauf-Leitung54 zum Rücklauf-Sammelrohr48 geführt, wo das Wärmeträgermedium52 wiederum auf die Vielzahl von Kupferrohrleitungen44 verteilt wird. - Wie in
1 angedeutet, ist in dem Leitungssystem42 wenigstens eine geeignete Pumpeneinrichtung56 zum Erhalt eines Kreislauf des Wärmeträgermediums52 durch das Leitungssystem42 vorgesehen. Die Mehrenergie für die Pumpeneinrichtung56 kann durch das Modul12 oder durch die Vorrichtung14 zur thermischen Nutzung geliefert werden. - Wie in
1 dargestellt, kann die Grundplatte32 mit einer selektiven Beschichtung versehen sein, die zwar Lichtstrahlen zur Absorption durch die Grundplatte32 hindurchlässt, es der Grundplatte32 jedoch nicht gestattet, längerwellige Wärmestrahlung wieder zurück in das Gehäuse16 einzustrahlen. - In einer nicht dargestellten alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann an Stelle der auf der Rückseite der Grundplatte
32 angeordneten Kupferrohrleitungen44 auch ein mitten durch die Grundplatte32 geführtes Rohrsystem und/oder ein durch das Gehäuse16 geführtes Rohrsystem vorgesehen sein (beides nicht dargestellt). Insbesondere in letzterem Fall kann auch die Lichteintrittsfläche24 der Lichteintrittsplatte28 mit der selektiven Beschichtung60 versehen sein. Die gesamte in das Gehäuse16 eingestrahlte Energie wird dann nur über die Wärmeableitungseinrichtung40 ausgetragen und der thermischen Nutzung in der Vorrichtung14 zugeführt. - Weitere hier nicht näher dargestellte Ausführungsformen ergeben sich dadurch, dass das Konzentrator-Photovoltaik-Modul
12 mit einem oder mehreren der in den beiden nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen 10 2005 033 272.2-33 und 10 2005 047 132.3-33 offenbarte Merkmale und Ausstattungen versehen sind. Es wird für weitere Einzelheiten zu dem Konzentrator-Photovoltaik-Modul12 ausdrücklich auf diese beiden früheren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen verwiesen. -
- 10
- Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie
- 12
- Konzentrator-Photovoltaik-Modul (Photovoltaik-Vorrichtung)
- 14
- Vorrichtung zur thermischen Nutzung
- 16
- Gehäuse
- 18
- Photovoltaik-Einrichtung
- 20
- Solarzelle
- 22
- Fresnellinsenfeld (optische Einheit)
- 24
- Lichteintrittsfläche
- 26
- Sonnenstrahlen
- 28
- Lichteintrittsplatte
- 30
- Seitenwände
- 32
- Grundplatte
- 34
- elektrische Leitungsbahnen
- 40
- Wärmeableitungseinrichtung
- 42
- Leitungssystem
- 44
- Kupferrohrleitung
- 46
- Vorlauf-Sammelrohr
- 48
- Rücklauf-Sammelrohr
- 50
- Vorlauf-Leitung
- 52
- Wärmeträgermedium
- 54
- Rücklauf-Leitung
- 56
- Pumpeneinrichtung
- 60
- selektive Beschichtung
Claims (11)
- Photovoltaik-Vorrichtung (
12 ) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit: einer aus einem lichtdurchlässigen Material gebildeten Lichteintrittsplatte (28 ), einer Vielzahl von Solarzellen (20 ), die jeweils in Abstand von der Lichteintrittsplatte (28 ) auf deren sonnenabgewandten Seite angeordnet sind und eine kleinere Fläche als eine Lichteintrittsfläche (24 ) der Lichteintrittsplatte (28 ) einnehmen, einer Fresnellinsen-Struktur (22 ) zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche (24 ) eintretenden Sonnenstrahlung auf die kleineren Flächen der Solarzellen (20 ), einer Wärmeableitungseinrichtung (40 ), die zum Ableiten von in der Photovoltaikvorrichtung (12 ) durch Sonnenstrahlung entstehender Wärmeenergie mittels eines Wärmeträgermediums (52 ) und zum Zuleiten des so erwärmten Wärmeträgermediums (52 ) zu einer thermischen Nutzung (14 ) dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (20 ) auf einer von der Lichteintrittsplatte (28 ) beabstandet angeordneten ein- oder mehrteiligen wärmeleitfähige Grundplatte (32 ) angeordnet sind, wobei auf der der Sonne zugewandten Seite der Grundplatte (32 ) einen hoch-selektiven Absorber (60 ) für Solarthermiezwecke ausgebildet ist, der Absorptionswerte über 90% und Emissionswerte unter 10% aufweist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (
32 ) als Teil eines Wärmetauschers (32 ,44 ) zum Abführen von Wärme von der Grundplatte (32 ) zu dem Wärmeträgermedium (52 ) ausgebildet ist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitvorrichtung (
40 ) Rohrleitungen (44 ) für das Wärmeträgermedium aufweist, die die Grundplatte (32 ) kontaktieren oder zumindest teilweise durch die Grundplatte gebildet oder in der Grundplatte ausgebildet sind. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittplatte (
24 ) ein geschlossenes Gehäuse (16 ) begrenzt, innerhalb dem die Solarzellen (20 ) untergebracht sind, wobei die in dem Gehäuse (16 ) durch Sonneneinstrahlung gebildete Wärme durch die Wärmeableitvorrichtung mittels des Wärmeträgermediums (52 ) aus dem Gehäuse abführbar und einer thermische Nutzung (14 ) zuführbar ist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitungsvorrichtung (
40 ) ein Leitungssystem (42 ,44 ) zur Verteilung des Wärmeträgermediums derart aufweist, dass jede Solarzelle (20 ) durch das Wärmeträgermedium (52 ) kühlbar ist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungen (
44 ) des Leitungssystems (42 ) auf der der Sonne abgewandten Seite der Grundplatte (32 ) angebracht sind. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungen (
44 ) des Leitungssystems aus Metall, insbesondere aus Kupfer, gebildet sind. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (
42 ) wenigstens eine serpentinenförmige Leitung aufweist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (
42 ) mehrere dünne Rohrleitungen (44 ), die an beiden Enden in ein jeweiliges Sammelrohr (46 ,48 ) münden, aufweist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (
52 ) Wasser oder Öl ist. - Anlage (
10 ) zur Nutzung der Sonnenenergie mit wenigstens einer Photovoltaik-Vorrichtung (12 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Erzeugen elektrischer Energie und zum Liefern thermischer Energie, weiter umfassend: • eine Heizungsvorrichtung zum Heizen mittels der von der Photovoltaik-Vorrichtung gelieferten thermischen Energie, • eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Gebäuden, Geräten, Einrichtungen, Fahrzeugen oder dergleichen, wobei die Kühlvorrichtung mittels der von der Photovoltaik-Vorrichtung gelieferten thermischen Energie betreibbar bzw. antreibbar ist, oder/und • eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie aus der thermischen Energie, die von der Photovoltaik-Vorrichtung geliefert wird.
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