DE202012013484U1

DE202012013484U1 - Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht

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Publication number: DE202012013484U1
Application number: DE202012013484.1U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2017-03-31
Anticipated expiration: 2022-01-28
Also published as: EP2668672A2; WO2012101237A2; WO2012101237A3

Abstract

Zum Konzentrieren von einfallendem Licht (L), insbesondere des Lichts der Sonne (S), vorgesehene Vorrichtung (100, 100', 100'', 100''', 100'''', 100'''''), aufweisend mindestens einen, insbesondere im Querschnitt sphärischen und/oder insbesondere rinnen- oder wannenförmig ausgebildeten, Kalottenkörper (10), mittels dessen das einfallende Licht (L) auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umlenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kalottenkörper (10) zumindest teilweise (10u), insbesondere zumindest abschnittsweise, lichtundurchlässig, zum Beispiel als Spiegelkörper, ausgebildet ist und – dass dieser lichtundurchlässige Teil (10u) des Kalottenkörpers (10), insbesondere nach Art mindestens eines Jalousieelements und/oder nach Art mindestens eines Lamellenelements, zum Beispiel nach Art mindestens eines Abschattungsjalousieelements und/oder nach Art mindestens eines Abschattungslamellenelements, nachführbar und/oder nachjustierbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere des Lichts der Sonne, vorgesehene Vorrichtung, aufweisend mindestens einen, insbesondere im Querschnitt sphärischen, Kalottenkörper, mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umlenkbar ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere des Lichts der Sonne, mittels des Kaustikeffekts mindestens eines, insbesondere im Querschnitt sphärischen, Kalottenkörpers, mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umgelenkt wird.
Stand der Technik
Solarkollektoren sind konventionellerweise häufig als planare Module ausgebildet.
In der Druckschrift WO 2009/135892 A2 ist eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, offenbart, die eine rinnen- oder wannenförmige, insbesondere im Querschnitt zumindest annähernd sphärisch ausgebildete, Kalotte ausweist.
Aus der Druckschrift US 2007/0186921 A1 ist ein zylindrischer Solarenergiekollektor bekannt, der dem Prinzip der großflächigen Thermovoltaik folgt und einen zylindrischen Konzentrator, eine Spiegelbewegung innerhalb des Zylinders sowie eine Art innere Nachführung aufweist. Bei diesem Solarenergiekollektor befindet sich der Absorber im Symmetriezentrum des sphärischen Zylinders, und die Kaustik gelangt nicht zur Anwendung.
Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Werden die eingangs genannten Module beispielsweise im Bereich von Terrassendächern, von Veranden oder von kleineren Hauseinheiten eingesetzt, dann entsteht nutzerseitig oft der Wunsch, den Grad der Abschattung bzw. der Aufhellung einer Behausung oder eines Raums nach Art von Jalousien und/oder von Lamellen einstellen zu können. Ein entsprechender Bedarf besteht auch bei großen, mit Fenstern versehenen Industrie- und Bürogebäudefassaden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird also ein Solarmodul mit Lamellen-Eigenschaften bereit gestellt, insbesondere mindestens eine rinnen- oder wannenförmige, zum Beispiel im Querschnitt zumindest annähernd sphärisch ausgebildete, Kalotte, die

– partiell lichtdurchlässig, insbesondere partiell transparent, und partiell lichtundurchlässig, insbesondere partiell verspiegelt, ausgebildet sein kann oder
– auch nur mindestens einen lichtundurchlässigen, insbesondere verspiegelten, Teil, zum Beispiel in Form einer Viertelkalotte (entsprechend einem Öffnungswinkel von neunzig Grad),

Hierbei ermöglichen die Symmetrie des im Querschnitt vorzugsweise sphärischen Spiegels und sein ”wandernder” Brennpunkt sowie der hiermit verbundene große Toleranzwinkel eine mechanisch einfache interne Nachführung und/oder Nachjustierung des konzentrierenden Spiegels zusammen mit dem Absorber, insbesondere innerhalb des Kalottenradius bzw. des Kalottenumfangs.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung können die Konzentratoren in mindestens einen Zwischenraum, also zwischen die Scheiben, insbesondere zwischen die Glasscheiben, mindestens eines thermoisolierten Fensters eingebaut sein, wobei die das vorliegende System einschließenden Scheiben mehrlagig, insbesondere nach Art mindestens einer Thermoglasscheibe, ausgebildet sein können.
In bevorzugter Ausführung kann der Zwischenraum, in dem sich die Konzentratoranordnung befindet, wie bei einer Thermoglasscheibe evakuiert oder mit mindestens einem Gas, zum Beispiel mit Luft, oder mit mindestens einem anderen optisch transparenten Medium (aus)gefüllt sein.
In zweckmäßiger Weise kann der Kalottenkörper, zum Beispiel nach Art einer Abschattungslamelle, als rinnen- oder wannenartig ausgeführter, im Querschnitt sphärischer Solarkonzentrator zur Solar-Energiegewinnung innerhalb mindestens eines thermoisolierten Fensters ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Konzentratoren als Abschattungsjalousien und/oder als Abschattungslamellen zur Optimierung der Abschattung und/oder der Solarenergiegewinnung mechanisch und/oder elektromechanisch und/oder magnetostatisch um ihren Mittelpunkt, insbesondere auf einer Teilkreisbahn, drehbar und damit verstellbar, insbesondere nachführbar und/oder nachjustierbar.
In vorteilhafter Ausgestaltung dient der Rahmen des vorzugsweise thermoisolierten Fensters der Wärmeabfuhr des Konzentrators und ist mit den Seitenteilen des Konzentrators und/oder des Absorberträgers thermisch leitend verbunden.
Bei einer sogenannten reduzierten Kalotte, bei der der Kalottenkörper im Wesentlichen auf den lichtundurchlässigen Teil reduziert, also im Wesentlichen lichtundurchlässig, insbesondere als Spiegelkörper, ausgebildet ist, zum Beispiel in Form einer frei beweglichen Viertelkalotte (Öffnungswinkel von neunzig Grad), kann die zentrale Drehachse in vorteilhafter Weise mit dem Rahmen thermisch leitend verbunden sein. Der Absorberträger kann dann, um eine Wärmeabfuhr zu ermöglichen, in entsprechender Weise thermisch leitend mit der Drehachse verbunden sein.
Zur Optimierung der Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutzwirkung kann hinter, das heißt auf der vom einfallenden Licht abgewandten Seite der konzentrierenden Kalotte mindestens ein Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutzelement statisch montiert sein. Dieses Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutzelement kann in zweckmäßiger Weise nicht-transparent, insbesondere verspiegelt sein, zum Beispiel in Form mindestens eines Kalottenelements, wie etwa mindestens einer Achtelkalotte (entsprechend einem Öffnungswinkel von 45 Grad) oder mindestens einer Viertelkalotte (entsprechend einem Öffnungswinkel von neunzig Grad), oder in Form mindestens eines alternativ, wie etwa rechteckig, geformten Blendschutzes.
Bei derartigen Konzentratoren sind das Konzentrationsverhältnis und der Toleranzwinkel in bevorzugter Weise über die Geometrie des Spiegels, die Spiegelöffnung, die Form des Absorbers, die Geometrie des Absorbers und/oder die Anordnung des Absorbers im Spiegel einstellbar.
Die geometrischen Daten sind vorteilhafterweise skalierbar, das heißt die geometrischen Daten können größer oder kleiner ausgebildet werden, wobei sich mit dem Skalierungsfaktor weder der Konzentrationsfaktor noch der Toleranzwinkel ändert. Damit kann das System gemäß der vorliegenden Erfindung über seine Geometrie an verschiedene Applikationen angepasst werden und stellt einen hohen Freiheitsgrad zur Verfügung.
In besonders vorteilhafter Weise ist diese Skalierbarkeit unabhängig vom Absorbermaterial. Das Absorbermaterial kann hierbei zweckmäßigerweise durch Silizium, durch Polysilizium, durch amorphes Silizium oder durch Dünnschichtelemente, insbesondere durch CIS-Elemente (CIS bedeutet CuInS₂ = Kupfer-Indium-Disulfid), gebildet sein.
Bei einer derartigen Skalierung können die folgenden Parameter, insbesondere im Zusammenhang, angepasst werden:

– der Radius der Konzentratorkalotte;
– die Breite des Absorbers;
– der Abstand des Absorbers vom Boden oder unteren Rand der Konzentratorkalotte;
– die Dicke und/oder die Breite des Absorberträgers.

In zweckmäßiger Weise kann das verspiegelte Teil, das den Konzentrator des Systems darstellt, koinzidierend mit oder zusammen mit den, insbesondere durch das photovoltaische Absorbermittel und/oder durch den Träger des photovoltaischen Absorbermittels definierten, Absorbergeometrien skaliert (, das heißt größer oder kleiner ausgebildet) werden und passt sich damit der jeweiligen Applikation an.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann der gegenseitige Abstand der Konzentratoren in den Fensterstrukturen gleichmäßig oder auch ungleichmäßig sein, zum Beispiel in Abhängigkeit von der gewünschten Transparenz zwischen den Konzentratoren. Wird zum Beispiel in bestimmten Bereichen oder an bestimmten Stellen eine erhöhte Transparenz gefordert, so kann in diesen Bereichen oder an diesen Stellen der Abstand der Konzentratoren zueinander größer gewählt werden, was naturgemäß mit einer geringeren Energieausbeute einher geht.
Um eine Abschattung zu vermeiden, ist ein Abstand zwischen zwei Konzentratorspiegeln zu wählen, der in etwa dem doppelten Spiegelradius, also in etwa 2R entspricht. Wird hingegen an einer bestimmten Stelle des Gesamtsystems, zum Beispiel in Augenhöhe einer Person, als Abstand zwischen zwei Konzentratorspiegeln der dreifache Spiegelradius, also 3R gewählt, so erhöht sich die Transparenz von etwa fünfzig Prozent auf etwa 75 Prozent, wohingegen die Energieausbeute pro Fläche an dieser Stelle zurück geht.
Mittels einer derartigen Variation des Abstands der Konzentratoren zueinander ist es auch möglich, optisch gestalterische Effekte zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere

– für Fassaden sowie
– für Flachdächer, zum Beispiel für Pultdächer und für Wintergärten,

Somit betrifft die vorliegende Erfindung schließlich die Verwendung mindestens einer Vorrichtung gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder des Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art zum Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutz im Innen- und/oder Außenbereich von Gebäuden, insbesondere

– an einer Fassade oder
– auf einem Flachdach, zum Beispiel auf einem Pultdach oder an einem Wintergarten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend unter Anderem anhand der durch 1 bis 6 veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
1 in konzeptuell-schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
2 in konzeptuell-schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
3A in konzeptuell-schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
3B in konzeptuell-schematischer Darstellung das dritte Ausführungsbeispiel aus 3A in einer Abwandlung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
3C in konzeptuell-schematischer Darstellung das dritte Ausführungsbeispiel aus 3B in einer weiteren Abwandlung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
4 in konzeptuell-schematischer Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
5 in konzeptuell-schematischer Darstellung ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet; und
6 in perspektivischer Darstellung ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet.
Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in 1 bis 6 mit identischen Bezugszeichen versehen.
Bester Weg zur Ausführung der vorliegenden Erfindung
Zur Vermeidung überflüssiger Wiederholungen beziehen sich die nachfolgenden Erläuterungen hinsichtlich der Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung – soweit nicht anderweitig angegeben –

– sowohl auf das anhand 1 veranschaulichte erste Ausführungsbeispiel 100
– als auch auf das anhand 2 veranschaulichte zweite Ausführungsbeispiel 100'
– als auch auf das anhand 3A, 3B, 3C veranschaulichte dritte Ausführungsbeispiel 100''
– als auch auf das anhand 4 veranschaulichte vierte Ausführungsbeispiel 100'''
– als auch auf das anhand 5 veranschaulichte fünfte Ausführungsbeispiel 100''''
– als auch auf das anhand 6 veranschaulichte sechste Ausführungsbeispiel 100

Beim Ausführungsbeispiel gemäß der rechten Hälfte von 1 ist der (in Bezug auf den Stand der Sonne S; vgl. hierzu 2) jeweilige obere Teil 100 der (exemplarisch in 1 neun) Kalotten 10 transparent (vgl. Bezugszeichen T), das heißt lichtdurchlässig ausgebildet, wohingegen der (in Bezug auf den Stand der Sonne S) jeweilige untere Teil 10u der (exemplarisch in 1 neun) Kalotten 10 verspiegelt (vgl. Bezugszeichen V) ausgebildet ist, was zu einem teiltransparenten Solarmodul mit Lamelleneigenschaften führt.
Hierbei wird das einfallende Licht L im Bereich mindestens eines jeweiligen photovoltaischen Absorbermittels 20, insbesondere im Bereich mindestens einer jeweiligen Solarzelle, zum Beispiel im Bereich mindestens einer jeweiligen Solarzellenplatte oder mindestens eines jeweiligen Solarzellenriegels, konzentriert, um durch diese optische Konzentration einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Generell gilt, dass der Absorber 20 nicht unbedingt in der optischen Achse (±45 Grad) angebracht sein muss, sondern auch davon abweichen kann, zum Beispiel +40 Grad oder –50 Grad.
Im Vergleich hierzu sind in der linken Hälfte von 1 (exemplarisch drei) konventionelle planare Module dargestellt, durch deren Neigung sowohl transparente (vgl. Bezugszeichen T), das heißt lichtdurchlässige Bereiche als auch abgeschattete (vgl. Bezugszeichen A) Bereiche hinter den planaren Modulen entstehen, wobei ”hinter” hier auf der vom einfallenden (Sonnen-)Licht abgewandten Seite bedeutet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das photovoltaische Absorbermittel in Bezug auf die Kalotte 10 statisch montiert sein.
Wie aus der exemplarischen Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 2 hervor geht, ist ein wesentlicher Unterschied zu bisherigen konventionellen Einsatzbereichen darin zu sehen, dass die erfindungsgemäßen Module 100, 100', 100'', 100''', 100'''', 100''''' nicht notwendigerweise im Dachbereich eingesetzt werden, sondern auch im Innenraum einer Behausung oder eines Gebäudes G eingesetzt werden können, so dass aufgrund der fehlenden Witterungseinflüsse eine Verstellbarkeit ermöglicht wird.
Hierbei bedarf die photovoltaische Energiegewinnung über im Querschnitt sphärische Konzentratoren grundsätzlich keiner Nachführung der Konzentratoren, denn der Toleranzwinkel ist groß genug. Dies gilt sowohl für Applikationen im Außenbereich, zum Beispiel an Fassaden und auf Dächern, als auch im Innenbereich, zum Beispiel in Wintergärten und in Fenstern, aber auch bei Integration in Dächer und/oder in die Fassadenverkleidung (vgl. 2).
Der Fachmann auf dem Gebiet der Solarkollektortechnik wird insbesondere zu schätzen wissen, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, 100', 100'', 100''', 100'''', 100''''' sowie mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens

– sowohl Tageslicht L' im Gebäude nutzbar ist (sogenannter Lamelleneffekt), nämlich ermöglicht durch den jeweils oberen transparenten, das heißt lichtdurchlässigen Bereich 10o der Kalotten 10, durch den das (Sonnen-)Licht L in das Gebäude G als Licht L' einfallen kann,
– als auch Solarenergie gewonnen werden kann, nämlich mittels des jeweils unteren verspiegelten Bereichs 10u der Kalotten 10, in dem das einfallende (Sonnen-)Licht L auf das photovoltaische Absorbermittel 20 geworfen wird.

In Bezug auf die technische Umsetzung der vorliegenden Erfindung ist nicht nur die geringe Bauhöhe (zum Beispiel kleiner als etwa fünf Zentimeter) des Moduls 100, 100', 100'', 100''', 100'''', 100''''' bemerkenswert, sondern auch der einfache Aufbau mit zum Beispiel fünf Montageteilen, wie etwa

– einer Kalotte 10 (Spiegel), zum Beispiel aus Kunststoff,
– zwei Seitenteilen, zum Beispiel aus Aluminium,
– einem Siliziumträger, zum Beispiel aus Aluminium, und
– einer Abdeckplatte 30, zum Beispiel aus Acrylglas oder aus Plexiglas oder aus Glas.

Der Zusammenbau dieser Montageteile kann mit an sich bekannten Produktionsmethoden erfolgen, so etwa mit Klebeverfahren oder mit thermischen Verschweißungsverfahren.
Werden die vorbeschriebenen Module im Innenbereich eines Gebäudes eingesetzt, zum Beispiel hinter Fenstern, so kann der Aufbau insofern noch vereinfacht werden, als dann die (einen wesentlichen Kostenfaktor darstellende) Abdeckplatte 30 weggelassen werden kann.
Dieser Schritt zur Kostenreduktion kann noch weitergegangen werden, indem das vorbeschriebene Solarsystem 100, 100', 100'', 100''', 100'''', 100''''' in ein Fenster mit Thermoverglasung, zum Beispiel in ein Holz/Aluminium-Fenster oder insbesondere in ein Kunststoff/Aluminium-Fenster, integriert wird, wobei durch eine besondere Verbundkonstruktion der Einbau eines Sonnen- und Sichtschutzes zwischen den beiden Scheiben 40, 42 der Thermoverglasung möglich ist.
Werden die beiden Scheiben 40, 42 der Thermoverglasung nicht im konventionellen Abstand von etwa einem Zentimeter im Rahmen montiert, sondern in größerem Abstand, zum Beispiel von weniger als etwa fünf Zentimeter, so können zwischen den beiden Scheiben 40, 42 die Spiegelkalotten 10 mit den Absorberträgern 22 und den Absorbern 20 montiert werden, wie in der exemplarischen Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 3A ersichtlich.
Die Montage der Spiegelkalotte 10 gemäß 3A kann in vorteilhafter Weise auch so erfolgen, dass die Spiegelkalotte 10 nicht den gesamten Raum zwischen den Scheiben 40, 42 ausfüllt, sondern zur höheren thermischen Isolation an mindestens einer Seite mindestens ein Spalt bleibt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt in ausgewogenem Verhältnis von etwa fünfzig Prozent zu etwa fünfzig Prozent ein Wechsel zwischen im Wesentlichen transparenten Bereichen (<-–> keine Spiegelkalotte 10 mit Absorberträger 22 und Absorber 20 zwischen Scheiben 40, 42 montiert) und im Wesentlichen intransparenten Bereichen (<--> Spiegelkalotte 10 mit Absorberträger 22 und Absorber 20 zwischen Scheiben 40, 42 montiert). Durch die Anordnung der Kalotten 10 ergibt sich also ein jeweils etwa gleich großes transparentes wie intransparentes Gebiet.
Da die Geometrie des Konzentrators 10 mit dem Absorber 20 und gegebenenfalls mit dem Absorberträger 22 direkt skalierbar, das heißt in seinen geometrischen Abmessungen ohne wesentliche Veränderung der Funktion vergrößerbar und verkleinerbar ist (vgl. hierzu auch die anhand 6 veranschaulichte perspektivische Darstellung eines in seinen geometrischen Abmessungen skalierbaren Konzentrators 10 mit auf dem Konzentrator 10 montierten Absorberträger 22 und Absorber 20), kann der Abstand zwischen den Scheiben 40, 42 zum Beispiel auch etwa 1,5 Zentimeter oder etwa 2,5 Zentimeter betragen.
Auf diese Weise reduziert sich der Aufwand für das Photovoltaik-Solarsystem 100'', 100''', 100'''', 100''''' auf die Kalotten 10u, die Absorberträger 22 und die Absorber 20. Für den Einbau zwischen zwei Glasscheiben 40, 42 kann der transparente Teil 10o weggelassen werden, das heißt der Kalottenkörper 10 ist auf den lichtundurchlässigen Teil 10u reduziert.
Indem also nur der optisch aktive verspiegelte Teil 10u des konzentrierenden Elements benötigt wird, wird die Halbkalotte gemäß 1, 2 beispielsweise auf eine Viertelkalotte gemäß 3A, 3B, 3C, 4, 5, 6 reduziert. Der optisch aktive Bereich des Spiegels hängt von den Geometrien des Konzentratorsystems ab.
Die das Konzentratorsystem einschließenden Scheiben 40, 46 und 42, 48 können auch als mehrlagige Thermoscheiben ausgeführt sein (vgl. 3A).
Beim gegenüber 3A abgewandelten Photovoltaik-Solarsystem 100'' gemäß 3B sind die Konzentratorkalotte 10 und der Absorber 20 mit Träger 22 zwischen den ersten beiden Scheiben 40, 42 (= im ersten Zwischenraum) einer dreifach verglasten, also den ersten Zwischenraum sowie einen zweiten Zwischenraum aufweisenden Isolierscheibe 40, 42, 44 angeordnet. Der jeweilige Abstand zwischen zwei Scheiben 40, 42 bzw. 42, 44, also die jeweilige Breite eines jeden der beiden Zwischenräume kann zum Beispiel etwa achtzehn Millimeter bis etwa zwanzig Millimeter betragen.
Auch beim Photovoltaik-Solarsystem 100'' gemäß 3B werden zur Lichtkonzentration als Konzentratoren sphärische Spiegel 10 eingesetzt, die zwischen den Glasscheiben 40, 42 angeordnet sind. Es wird eine hohe Transparenz von fünfzig Prozent erreicht, denn die Konzentratoren sind Viertelspiegel 10u und zueinander im Abstand 2R (= im Abstand des doppelten Kalottenradius) angeordnet, um Abschattungen zu vermeiden.
Aus dem Verhältnis des Abschattungsabstands von 2R zum Radius R des Viertelspiegels 10u ergibt sich dann die Transparenz für die optische Information zu fünfzig Prozent, wobei die optische Konzentration durch die Spiegel 10 nur auf das einfallende Sonnenlicht L angewendet wird; der Strahlengang der optischen Information von außen ist in demjenigen Abschnitt oder Bereich, in dem sich nicht der Konzentrator befindet, unbeeinträchtigt.
Wie den Unterschieden der Ausführungsbeispiele gemäß 3B und gemäß 3C entnehmbar, kann in Abhängigkeit von der gewünschten Transparenz der gegenseitige Abstand der Konzentratoren 10 in den Fensterstrukturen 40, 42, 44

– gleichmäßig (vgl. 3B = Querschnittdarstellung der Konzentratoren 10 mit gleichmäßigem Abstand 2R zwischen den Scheiben 40, 42, 44 einer dreifach verglasten Thermoisolationsscheibe) oder
– ungleichmäßig (vgl. 3C = Querschnittdarstellung eines erhöhten Abstands 3R zwischen den Konzentratoren 10 in einigen Bereichen der Thermoisolationsscheibe zum Zwecke einer erhöhten Transparenz an dieser Stelle)

Wird zum Beispiel in bestimmten Bereichen oder an bestimmten Stellen eine erhöhte Transparenz gefordert, so kann in diesen Bereichen (vgl. den oberen Bereich in 3C) oder an diesen Stellen der Abstand der Konzentratoren 10 zueinander größer gewählt werden, was naturgemäß mit einer geringeren Energieausbeute einher geht.
Um eine Abschattung zu vermeiden, wird ein Abstand zwischen zwei Konzentratorspiegeln 10 gewählt, der in etwa dem doppelten Spiegelradius, also in etwa 2R entspricht (vgl. 3B; vgl. den unteren Bereich in 3C). Wird hingegen an einer bestimmten Stelle des Gesamtsystems, zum Beispiel in Augenhöhe einer Person, als Abstand zwischen zwei Konzentratorspiegeln 10 der dreifache Spiegelradius, also 3R gewählt (vgl. den oberen Bereich in 3C), so erhöht sich die Transparenz von etwa fünfzig Prozent auf etwa 75 Prozent, wohingegen die Energieausbeute pro Fläche an dieser Stelle zurück geht.
Mittels der anhand 3C veranschaulichten Variation des Abstands der Konzentratoren 10 zueinander ist es auch möglich, optisch gestalterische Effekte zu erzielen.
Im Hinblick auf die geometrische Skalierbarkeit können die geometrischen Daten der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Solarsystem-Module 100, 100', 100'', 100''', 100'''', 100''''' grundsätzlich auch größer oder kleiner ausgebildet werden, wobei sich mit dem Skalierungsfaktor weder der Konzentrationsfaktor noch der Toleranzwinkel ändert.
Damit kann das System 100, 100', 100'', 100''', 100'''', 100''''' über seine Geometrie an verschiedene Applikationen angepasst werden und stellt einen hohen Freiheitsgrad zur Verfügung, wobei die folgenden Parameter im Zusammenhang anzupassen sind (vgl. exemplarisch den unteren Teil der 3B und der 3C):

– der Radius R der Kalotte 10;
– die Breite B des Absorbers 20;
– der Abstand D des Absorbers 20 vom Boden oder unteren Rand der Kalotte 10;
– die Dicke und/oder die Breite des Trägers 22 des photovoltaischen Absorbermittels 20.

Bei Fenstern mit Metallrahmen kann eine Kühlung der Module nach außen einfach durchgeführt werden. Die Metallrahmen der Thermoverglasung können auch gleichzeitig in die Wärmeabfuhr des Absorbers 20 integriert werden.
Die Kosten eines derartigen Solarfensters sind durch den im Vergleich zu konventionellen Fenstern breiteren Fensterrahmen, durch die semitransparenten oder auf den verspiegelten Bereich reduzierte Spiegelkalotten 10 und durch die Absorber 20 mit jeweiligem Absorberträger 22 bestimmt.

– Da bei derartigen Solarfenstern die Fenster-Basiskonstruktion genutzt werden kann,
– da nur wenige Zusatzelemente, wie Spiegelkalotten 10u und Absorber 20 mit Trägern 22, benötigt werden und
– da im Verhältnis der Lichtkonzentration – abhängig von den Geometrien des Konzentrators – Absorbermaterial 20 im Vergleich zu planaren Modulen eingespart werden kann (so ist in den Ausführungsbeispielen eines Solarfensters gemäß 3A, 3B, 3C, 4, 5, 6 lediglich etwa ein Drittel der Siliziumfläche planarer Module erforderlich),

Wie dem gegenüber 3A, 3B, 3C abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäß 4 entnehmbar, kann die Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutzwirkung weiter erhöht werden, indem hinter eine in der Größe reduzierte verspiegelte Kalotte 10 eine weitere (, zum Beispiel Achtel- oder Viertel-)Kalotte 12 montiert ist. Diese nicht-transparente, idealerweise verspiegelte zusätzliche Kalotte 12 verhindert das Eindringen von Lichtstrahlen 1, wenn die konzentrierende Kalotte 10 – der Änderung des Stands der Sonne S folgend – um einen Winkel gedreht ist (vgl. 4).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann in ein derartiges Solarfenster mindestens ein Mechanismus zum Verstellen der Kalotten 10 integriert sein und somit ein Lamelleneffekt erzielt werden.
Hierbei muss beim Verstellmechanismus des Ausführungsbeispiels gemäß 5 die Verstellachse für die Einstellung der Kalotten 10 nicht unbedingt nach außen aus dem verglasten Gebiet herausgeführt werden; vielmehr kann die Verstellung auch über elektromagnetische interne Komponenten herbeigeführt werden. Hierbei sind das Spiegelelement und der Absorber 20 mechanisch starr gekoppelt und werden somit als eine Einheit bewegt.
Die Konstruktion der Ausführungsbeispiele gemäß 3A, 3B, 3C, 4, 5, 6 kombiniert ein Thermoisolationsfenster mit einem hohen Maß an Solarenergiegewinnung und mit einer lamellenartigen Abschattung. Die Nutzung der Solarenergie über Konzentratoren in einem derartigen thermoisolierten Fenster bedingt, dass die Abschattungslamellen montiert werden. Das reduziert den Wartungsaufwand gegenüber herkömmlichen externen Abschattungslamellen erheblich.
Der den Kalottenkörper 10 mit dem photovoltaischen Absorbermittel 20 aufnehmende Zwischenraum zwischen den Glasscheiben 40, 42 kann – vergleichbar einem thermoisolierten Fenster – evakuiert sein. Alternativ hierzu kann sich in diesem Zwischenraum auch

– mindestens ein Gas, zum Beispiel Luft, oder
– mindestens ein anderes optisch transparentes Medium

Wenn die Konzentratorspiegel als Sonnenschutz wie Jalousielamellen eingesetzt werden, kann mittels einer Nachjustierung der Grundeinstellung ein besserer Sonnenschutz erzielt werden. Wenn die Nachjustierung zum Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutz hierbei im Rahmen des Toleranzbereichs bleibt, hat dies nur geringe Auswirkungen auf die Energiegewinnung in der Grundeinstellung. Bei anderen Winkelbereichen ist ein Kompromiss zwischen dem Wunsch nach Energiegewinnung und dem Wunsch nach erhöhtem Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutz einzugehen.
Die Nachjustierung kann durch Nachführen des drehbaren Spiegels 10u in der Kalotte 10 bewirkt werden, wobei der Spiegel 10u um den Mittelpunkt in der Kalotte 10 beweglich montiert ist. Die Drehachse wird an den Seitenteilen der Kalotte 10 nach außen geführt, mit einem Zahnrad 24 versehen und über eine, insbesondere mit dem Zahnrad 24 zusammenwirkende, Gewindestange 26 nachjustiert. Alternativ oder ergänzend können die nach außen geführten Montageachsen (Drehachsen) auch, wie aus der Sonnenblendentechnik bekannt, über Seilzüge miteinander gekoppelt und bewegt werden.
Auf diese Art können synchron mehrere Spiegel intern nachjustiert werden, ohne dass die Kalotten 10 bewegt werden (vgl. 5). Eine solche Nachjustierung kann tageszeitlich und/oder jahreszeitlich erfolgen. Infolge des einfachen Aufbaus kann dieses Konzept sowohl im Innenbereich als auch im Außenbereich eingesetzt werden.
Wie den Ausführungsbeispielen gemäß 3A, 3B, 3C, 4, 5, 6 entnehmbar, sind die Konzentratoren als Abschattungslamellen zur Optimierung der Abschattung und/oder der Solarenergiegewinnung mechanisch, elektromechanisch und/oder magnetostatisch um ihren Mittelpunkt auf einer Teilkreisbahn drehbar und damit verstellbar.
Das photovoltaische Element 20 ist im Zentrum des 90°-Spiegels (bzw. von dessen optischer Achse) angebracht und bewegt sich damit mit dem Spiegel mit, falls eine Nachjustierung der Grundeinstellung gewünscht ist.
Ein derartiges Konzept ermöglicht es, die Photovoltaik-Kalotten(-Systeme) auch in Bereichen oder an Stellen nicht optimaler Sonneneinstrahlung zu montieren, an denen der Toleranzwinkel nicht ausreichend ist. Somit erschließen sich mit der Nachjustierbarkeit des Spiegels innerhalb der Kalotte 10 neue Anwendungsflächen. Darüber hinaus ergeben sich weitere Applikationsmöglichkeiten.
Der drehbare Spiegel muss nicht unbedingt einen Winkelbereich von neunzig Grad überspannen; vielmehr sind in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften zum Beispiel auch 85 Grad oder 95 Grad möglich. Voraussetzung für diese mechanische Nachjustierung des konzentrierenden Spiegels innerhalb der Kalotte 10 ist der große Toleranzwinkel, bedingt durch die Kaustikkurve eines im Querschnitt sphärischen Spiegels und deren Mitwandern mit der Richtung des einfallenden Lichts. Mithin sind der ”wandernde” Brennpunkt und der damit verbundene hohe Akzeptanzwinkel bezüglich des einfallenden Lichts L des Konzentrators 10 Voraussetzung für das Funktionieren dieser einfachen Nachführung oder Nachjustierung.
Durch die Kombinationsmöglichkeiten, die ein im Querschnitt sphärisches Konzentratorsystem mit thermoisolierten Fenstern gemäß 3A, 3B, 3C, 4, 5, 6 bietet, lassen sich infolge von Materialkostenreduktion und Effizienzsteigerung an Fassaden und auf Flachdächern sowie infolge besserer Siliziumausnutzung pro Flächeneinheit mittels der vorliegenden Erfindung die Photovoltaikmodul- und -betriebskosten gegenüber konventionellen Systemen in etwa halbieren.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht L, insbesondere der Sonne S (= erstes Ausführungsbeispiel; vgl. 1)
100': Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht L, insbesondere der Sonne S (= zweites Ausführungsbeispiel; vgl. 2)
100'': Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht L, insbesondere der Sonne S (= drittes Ausführungsbeispiel; vgl. 3A, 3B, 3C)
100''': Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht L, insbesondere der Sonne S (= viertes Ausführungsbeispiel; vgl. 4)
100'''': Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht L, insbesondere der Sonne S (= fünftes Ausführungsbeispiel; vgl. 5)
100''''': Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht L, insbesondere der Sonne S (= sechstes Ausführungsbeispiel; vgl. 6)
10: Kalotte oder Kalottenkörper
10o: insbesondere oberer, zum Beispiel lichtdurchlässiger oder transparenter, Teil der Kalotte oder des Kalottenkörpers 10
10u: insbesondere unterer, zum Beispiel lichtundurchlässiger oder verspiegelter, Teil der Kalotte oder des Kalottenkörpers 10
12: Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutzelement, insbesondere Kalottenelement, zum Beispiel Achtelkalotte mit Öffnungswinkel 45 Grad oder Viertelkalotte mit Öffnungswinkel neunzig Grad
20: photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere Photovoltaikelement oder Solarzelle, zum Beispiel Solarzellenplatte oder Solarzellenriegel
22: Träger des photovoltaischen Absorbermittels 20
24: Zahnrad
26: Gewindestange
30: Abdeckplatte
40: erste Scheibe, insbesondere erste Fensterscheibe oder erste Glasscheibe
42: zweite Scheibe, insbesondere zweite Fensterscheibe oder zweite Glasscheibe
44: weitere Scheibe, insbesondere weitere Fensterscheibe oder weitere Glasscheibe
46: weitere Scheibe, insbesondere weitere Fensterscheibe oder weitere Glasscheibe
48: weitere Scheibe, insbesondere weitere Fensterscheibe oder weitere Glasscheibe
A: abgeschattet
B: Breite des photovoltaischen Absorbermittels 20
D: Abstand des photovoltaischen Absorbermittels 20 vom Boden oder unteren Rand der Kalotte oder des Kalottenkörpers 10
G: Gebäude
L: Licht, insbesondere einfallendes Licht
L': Tageslicht
R: Radius der Kalotte oder des Kalottenkörpers 10
S: Sonne
T: transparent
V: verspiegelt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/135892 A2 [0004]
US 2007/0186921 A1 [0005]

Claims

Zum Konzentrieren von einfallendem Licht (L), insbesondere des Lichts der Sonne (S), vorgesehene Vorrichtung (100, 100', 100'', 100''', 100'''', 100'''''), aufweisend mindestens einen, insbesondere im Querschnitt sphärischen und/oder insbesondere rinnen- oder wannenförmig ausgebildeten, Kalottenkörper (10), mittels dessen das einfallende Licht (L) auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umlenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kalottenkörper (10) zumindest teilweise (10u), insbesondere zumindest abschnittsweise, lichtundurchlässig, zum Beispiel als Spiegelkörper, ausgebildet ist und – dass dieser lichtundurchlässige Teil (10u) des Kalottenkörpers (10), insbesondere nach Art mindestens eines Jalousieelements und/oder nach Art mindestens eines Lamellenelements, zum Beispiel nach Art mindestens eines Abschattungsjalousieelements und/oder nach Art mindestens eines Abschattungslamellenelements, nachführbar und/oder nachjustierbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalottenkörper (10) – teilweise (10o), insbesondere abschnittsweise, lichtdurchlässig, insbesondere transparent, und – teilweise (10u), insbesondere abschnittsweise, lichtundurchlässig, insbesondere verspiegelt, ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalottenkörper (10), insbesondere im Wesentlichen, auf mindestens einen lichtundurchlässigen, insbesondere verspiegelten, Teil (10u) reduziert ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtundurchlässige Teil (10u) des Kalottenkörpers (10) koinzidierend mit oder zusammen mit dem photovoltaischen Absorbermittel (20) skalierbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Skalieren unabhängig vom Material des photovoltaischen Absorbermittels (20) und/oder – bezüglich des Radius (R) des Kalottenkörpers (10), – bezüglich der Breite (B) des photovoltaischen Absorbermittels (20), – bezüglich des Abstands (D) des photovoltaischen Absorbermittels (20) vom Boden oder unteren Rand des Kalottenkörpers (10), – bezüglich der Breite des Trägers (22) des photovoltaischen Absorbermittels (20) und/oder – bezüglich der Dicke des Trägers (22) des photovoltaischen Absorbermittels (20) erfolgt.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalottenkörper (10) – mittels mindestens eines Zahnrads (24) und mindestens einer Gewindestange (26) oder – mittels mindestens eines Seilzugs nachführbar und/oder nachjustierbar, insbesondere synchron nachführbar und/oder synchron nachjustierbar, ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalottenkörper (10) mechanisch und/oder elektromechanisch und/oder magnetostatisch, insbesondere auf einer Teilkreisbahn, um seinen Mittelpunkt drehbar und/oder verstellbar ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der vom einfallenden Licht (L) abgewandten Seite des Kalottenkörpers (10) mindestens ein Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutzelement (12), insbesondere in Form mindestens eines Kalottenelements, zum Beispiel in Form mindestens einer nicht-transparenten, wie etwa verspiegelten, Achtel- oder Viertelkalotte, angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalottenkörper (10) mit dem photovoltaischen Absorbermittel (20) in mindestens einen Zwischenraum zwischen mindestens zwei Scheiben (40, 42, 44, 46, 48), insbesondere zwischen mindestens zwei Glasscheiben, zum Beispiel mindestens eines thermoisolierten Fensters, eingebaut ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum – evakuiert oder – mit mindestens einem Gas, zum Beispiel mit Luft, gefüllt, insbesondere ausgefüllt, oder – mit mindestens einem anderen optisch transparenten Medium gefüllt, insbesondere ausgefüllt, ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem photovoltaischen Absorbermittel (20) versehenen Kalottenkörper (10) zueinander jeweils gleichmäßig beabstandet sind.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem photovoltaischen Absorbermittel (20) versehenen Kalottenkörper (10) zueinander ungleichmäßig beabstandet sind, insbesondere zum Zwecke einer erhöhten Transparenz, zum Beispiel Sichttransparenz, in definierten Bereichen oder an definierten Stellen, zum Beispiel in Augenhöhe.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen des Fensters, insbesondere des thermoisolierten Fensters, der Wärmeabfuhr dient und – mit der Drehachse und/oder mit den Seitenteilen des Kalottenkörpers (10) und/oder – mit den Seitenteilen mindestens eines Absorberträgers (22) thermisch leitend verbunden ist.
Verwendung mindestens einer Vorrichtung (100, 100', 100'', 100''', 100'''', 100''''') gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutz im Innen- und/oder Außenbereich von Gebäuden, insbesondere – an einer Fassade oder – auf einem Flachdach, zum Beispiel auf einem Pultdach oder an einem Wintergarten.