DE202012102146U1

DE202012102146U1 - Konzentrator-Solarmodul

Info

Publication number: DE202012102146U1
Application number: DE202012102146U
Authority: DE
Original assignee: VISION OPTICS GmbH
Current assignee: VISION OPTICS GmbH
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2012-07-20
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: DE102013106106A1

Abstract

Konzentrator-Solarmodul mit einer optisch wirksamen Schicht, die in Richtung zum einfallenden Licht über zumindest einer Siliziumzelle/Solarzelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame Schicht an einer holografischen Folie ausgebildet ist, die auf einer transparenten Schicht angeordnet ist, und dass sich unter der transparenten Schicht die Siliziumzellen befinden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Konzentrator-Solarmodul nach dem Oberbegriff des ersten Schutzanspruchs.
Es sind bereits Lösungen bekannt, bei welchen holografische Folien zur Beugung und Bündelung des Lichtes für Konzentrator-Solarmodule verwendet werden. In der Druckschrift DE 30 05 914 A1 wird dabei ein Sammellinsensystem, bestehend aus einer zwischen Lichteinfallsfläche und Solarzelle vorgesehenen optisch wirksamen Schicht in Form einer Gelatineschicht, die das einfallende Licht in einer auf die Oberfläche und auf die Absorptionseigenschaften der Solarzelle abgestimmten Weise abbildet, eingesetzt. Über der Gelatineschicht kann eine transparente Abdeckschicht angeordnet sein und der Abstand zwischen der Gelatineschicht und den Solarzellen kann durch eine Schicht aus transparentem Material (z.B. Glas) gebildet werden. Die Kontaktierungen sind mit in das Substrat integriert. Der Aufbau besteht somit von oben nach unten aus einer oberen transparenten Abdeckschicht, der Gelatineschicht, der transparenten, den Abstand zu den Solarzellen bildenden mittleren Schicht, den Solarzellen mit ihren Kontakten, einer unteren durchsichtigen Schicht, wobei alle Schichten aus dem gleichen Material bestehen.
Die Verwendung einer holografischen Folie, auf welcher die optisch wirksame Schicht angeordnet ist, wird in dieser Druckschrift nicht offenbart. Die Einbettung der Kontaktierungen in das Substrat ist kostenaufwendig.
Aus den Druckschriften DE 10 2006 059 417 A1 und DE 10 2008 010 013 A1 sind Fotovoltaik-Vorrichtungen mit holografischer Struktur zum Umlenken einfallender Sonnenstrahlen bekannt. Dabei weist ein Lichteintrittskörper eine Vielzahl von holografischen Elementen mit Hologrammstruktur auf, die durch einen großen mit Luft gefüllten Zwischenraum von gegenüberliegenden Solarzellen beabstandet sind. Dadurch ist nachteiliger Weise eine große Bauhöhe erforderlich. Weiterhin tritt eine doppelte Grenzflächenreflexion auf, die wiederum mit einer Wirkungsgradverringerung verbunden ist. Durch Temperaturunterschiede und die sich ausdehnende Luft kann es zu unerwünschten Verformungen kommen. Weiterhin besteht eine Verschmutzungsgefahr des mit Luft gefüllten Zwischenraumes.
Eine Solarzelle mit Lichtfalle, bei welcher ein holografisches Element an der Vorderseite eines fotovoltaischen Elements angeordnet ist, wodurch das Licht zur Gewährleistung einer Totalreflexion umgelenkt wird, ohne es zu konzentrieren, wird in der Druckschrift 10 2008 026 760 A1 beschrieben. Ein Einsatz für Konzentrator-Solarmodule ist somit nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Konzentrator-Solarmodul zu entwickeln, der kostengünstig herstellbar ist, einen dünnen Schichtaufbau aufweist und mit dem ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist. Bedarfsweise soll es mit dem Konzentrator-Solarmodul möglich sein, unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Lichtes zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Schutzanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt einer Variante eines Konzentrator-Solarmoduls, der in Richtung zum einfallenden Licht eine erste Schutzschicht und an der Rückseite eine zweite Schutzschicht aufweist, die jeweils mittels Kleber befestigt wurden,
2 einen Querschnitt einer weiteren Variante eines Konzentrator-Solarmoduls, der in Richtung zum einfallenden Licht eine aufgesputterte erste Schutzschicht aufweist,
3 die Draufsicht eines Konzentrator-Solarmoduls nach 1 oder 2,
4 den Querschnitt eines Konzentrator-Solarmoduls mit mehreren übereinander angeordneten holografischen Folien.
Gemäß 1 ist über einer transparenten Schicht 1 aus Glas eine holografische Folie 2 angeordnet, die in Richtung zur transparenten Schicht 1 erste Hologramme 3 und zweite Hologramme 4 aufweist, welche das einfallende Licht, welches durch die Pfeile angedeutet ist, in unterschiedliche Richtungen ablenken und zwar so, dass das Licht zweier benachbarter erster und zweiter Hologramme 3, 4 durch die transparente Schicht auf eine in der Draufsicht zwischen diesen angeordnete Siliziumzelle/Solarzelle 5 gebeugt wird, die auf der Rückseite der transparenten Schicht 1 angeordnet ist.
Gemäß einer nicht dargestellten Variante könnte die optisch wirksame Schicht und somit die Hologramme auch auf der in Richtung zum einfallenden Licht gerichteten Oberseite der holografischen Folie angeordnet sein.
Der Abstand a zwischen zwei benachbarten ersten und zweiten Hologrammen 3, 4 entspricht im Wesentlichen der Breite b einer Siliziumzelle/Solarzelle 5, so dass das senkrecht zwischen den Hologrammen 3, 4 einfallende Licht im Wesentlichen senkrecht auf die Siliziumzelle/Solarzelle 5 trifft und das davon beidseitig auf die Hologramme 3, 4 auftreffende Licht in Richtung zur Siliziumzelle/Solarzelle 5 gebeugt wird.
In dem in 1 dargestellten Beispiel ist die die holografische Folie 2 mit ihrer Unterseite, an der die optisch wirksame Schicht ausgebildet ist, mit der transparenten Schicht 1 durch einen Kleber K verbunden.
Über der holografischen Folie 2 ist in Richtung zum einfallenden Licht eine transparente erste Schutzschicht 6 mittels Kleber K befestigt, die ebenfalls aus Glas oder alternativ aus einer durchsichtigen Folie besteht.
Auch an der Unterseite der transparenten Schicht 1 ist eine zweite Schutzschicht 7 vorgesehen, welche die Siliziumzellen/Solarzellen 5 an ihrer von der transparenten Schicht 1 abgewandten Seite umschließt. Die Siliziumzellen/Solarzellen 5 und deren herkömmliche Kontaktierungen 5.1 sowie die zweite Schutzschicht 7 sind ebenfalls mittels eines Klebers K mit der Unterseite der transparenten Schicht 1 verbunden. Die zweite Schutzschicht 7 besteht bevorzugt aus einer Folie, die jedoch nicht transparent sein muss.
In 2 ist eine Variante dargestellt, bei welcher die transparente Schicht 1 ebenfalls aus einer durchsichtigen Folie besteht, auf welcher die holografische Folie 2 mittels Kleber K befestigt wurde. Wie in 1 befinden sich die ersten und zweiten Hologramme 3, 4 an der in Richtung zur durchsichtigen Folie 1 weisenden Unterseite der holografischen Folie 2. Über der holografischen Folie befindet sich in Richtung zum einfallenden Licht eine aufgesputterte erste Schutzschicht 6.
Unter der transparenten Schicht 1 wurden die Siliziumzellen/Solarzellen 5 und deren Kontaktierungen 5.1 durch Drucken aufgebracht und anschließend eine zweite Schutzschicht 7 als Folie mittels Kleber K an der Unterseite der transparenten Schicht 1 befestigt. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass alle Schichten aus Folie bestehen und damit ein leichter und biegsamer Konzentrator-Solarmodul geschaffen wird.
Durch die erste und zweite Schutzschicht 6, 7 wird der Konzentrator-Solarmodul vor Umwelteinflüssen geschützt.
Aus der Draufsicht in 3 geht hervor, dass die Hologramme 3, 4 der optisch wirksamen Schicht streifenförmig ausgebildet sind und dass die in der Draufsicht dazwischen liegenden Siliziumzellen/Solarzellen 5 ebenfalls streifenförmig in Richtung der Hologramme verlaufen, wobei mehrere Siliziumzellen/Solarzellen 5 streifenförmig hintereinander angeordnet sind.
Der in 4 im Querschnitt dargestellte Konzentrator-Solarmodul weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau auf wie in 1, jedoch wurden hier mehrere (drei) holografische Folien übereinander angeordnet. Jede holografische Folie 2 weist erste und zweite Hologramme 3, 4 auf. Die Hologramme 3, 5 der drei holografischen Folien 2 beeinflussen jeweils unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Lichtes, dies ist durch unterschiedliche Linienarten angedeutet. Dadurch können beispielsweise Anteile des IR-Spektrums ausgefiltert werden, wodurch eine unerwünschte Erwärmung des Konzentrator-Solarmoduls verhindert bzw. eingeschränkt wird. Die drei holografischen Folien wurden untereinander mit Kleber K verbunden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird das zur Verfügung stehende Energiespektrum in Form des einfallenden Lichts über eine diffraktive Optik (Konzentrator-Optik) auf das Zellmaterial in Form einer Siliziumzelle/Solarzelle gelenkt. Durch das neuartige Konzentratorkonzept ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen im Vergleich zu konventionellen Modulen. Insbesondere durch die lediglich streifenartige Anordnung von Zellmaterial kann ca. 90% an Siliziummaterial im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen eingespart werden, dies hängt jedoch auch von dem Konzentratorfaktor ab. Die Verschaltung der Siliziumzellen/Solarzellen erfolgt zwischen diesen im zellfreien Raum, wodurch sich die Nutzfläche erhöht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Infrarotanteil nicht durch das Hologramm beeinflusst wird und auf die Platine geht, wo er reflektiert oder anderweitig abgeführt wird. Defekte Siliziumzellen/Solarzellen oder abgedeckte Siliziumzellen/Solarzellen (Blätter) oder verschmutzte Zellen führen bei konventioneller Bauweise zum Abfall des Energieaustrages des gesamten Strings. Bei der Konzentrator-Siliziumzelle/Solarzelle wird auf Grund des in der Elektronik vorhandenen MPPT (Multi-Point Power-Tracking) eine Selektion der defekten Siliziumzelle/Solarzelle vorgenommen, ohne dass der Energieaustrag der restlichen Siliziumzelle/Solarzelle im String reduziert wird. Durch die Reihenschaltung der vielen Einzelzellen ergibt sich schnell eine hohe Spannung und damit eine niedrigere Stromstärke bei vergleichbarer Leistung mit vollflächiger Konstruktion (Reduzierung der inneren Verluste) Es ist möglich, den Arbeitspunkt automatisch durch die spezielle Steuerung in der Elektronik einzustellen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird aufgrund der geringen Menge an benötigten Zellmaterial die Möglichkeit geschaffen, Zellmaterial zu verwenden, welches eine hohe Ausbeute hat, aber teurer ist.
Ein weiterer Vorteil besteht in dem einfachen Einsatz von Tandemzellen durch einfache Verschaltung auf der Platine und damit einer kostengünstigen Erhöhung des Wirkungsgrades in der Größenordnung von 25% im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen.
Es ist möglich, kompakte Solarmodule zu erzeugen, die keinen Gaszwischenraum aufweisen und deren Dicke kleiner 10mm beträgt. Im Vergleich zu konventionellen Konzentrator-Systemen kommt es durch Wegfall des gasgefüllten Zwischenraumes zur Reduzierung des Lichtverlustes durch Reflexion an den zusätzlichen Grenzflächen und dadurch zu einem weiteren Energiegewinn.
Die Hologramme lenken das einfallende Licht mit einem hohen Ablenkwinkel (in der Größenordnung von 70° bis 90°) in die Totalreflexion in der transparenten Schicht aus Glas oder Folie und weiter auf die Siliziumzelle/Solarzelle.
Bezugszeichenliste

1: transparente Schicht
2: holografische Folie
3: erste Hologramme
4: zweite Hologramme
5: Siliziumzelle/Solarzelle
5.1: Kontaktierungen
6: erste Schutzschicht 6
7: zweite Schutzschicht 7
K: Kleber
a: Abstand zwischen zwei benachbarten ersten und zweiten Hologrammen 3, 4
b: Breite einer Siliziumzelle/Solarzelle 5

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3005914 A1 [0002]
DE 102006059417 A1 [0003]
DE 102008010013 A1 [0003]
DE 102008026760 A1 [0004]

Claims

Konzentrator-Solarmodul mit einer optisch wirksamen Schicht, die in Richtung zum einfallenden Licht über zumindest einer Siliziumzelle/Solarzelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame Schicht an einer holografischen Folie ausgebildet ist, die auf einer transparenten Schicht angeordnet ist, und dass sich unter der transparenten Schicht die Siliziumzellen befinden.
Konzentrator-Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame Schicht an einer in Richtung zur transparenten Schicht weisenden Unterseite der holografischen Folie ausgebildet ist.
Konzentrator-Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die holografische Folie mit ihrer Unterseite, an der die optisch wirksame Schicht ausgebildet ist, mit der transparenten Schicht durch einen Kleber verbunden ist.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Schicht aus Glas oder durchsichtiger Folie besteht.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über der holografischen Folie in Richtung zum einfallenden Licht eine transparente Deckschicht/Schutzschicht angeordnet ist.
Konzentrator-Solarmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht aus Glas oder Folie besteht.
Konzentrator-Solarmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht durch Kleber mit der holografischen Folie verbunden ist.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame Schicht mindestens ein Hologramm aufweist, welches in der Draufsicht seitlich zu einer Siliziumzelle/Solarzelle angeordnet ist und das einfallende Licht in Richtung zu dieser Siliziumzelle/Solarzelle beugt.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame Schicht mindestens zwei Hologramme aufweist, die in der Draufsicht beidseitig zu einer Siliziumzelle/Solarzelle angeordnet sind und das einfallende Licht in Richtung zu dieser Siliziumzelle/Solarzelle beugen.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hologramme der optisch wirksamen Schicht streifenförmig ausgebildet sind und dass die in der Draufsicht dazwischen liegende Siliziumzellen/Solarzellen ebenfalls streifenförmig in Richtung der Hologramme verläuft, wobei mehrere Siliziumzellen/Solarzellen streifenförmig hintereinander angeordnet sein können.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die einer Siliziumzelle beidseitig zugeordneten Hologramme und die Siliziumzelle/Solarzelle in der Draufsicht aneinandergrenzen.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumzelle/Solarzelle an der Unterseite der transparenten Schicht mittels Kleber befestigt ist.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumzelle/Solarzelle an der Unterseite der transparenten Schicht aufgedruckt ist.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung (Stromanschlüsse) der Siliziumzellen/Solarzellen des Konzentrator-Solarmoduls an der Unterseite der transparenten Schicht aufgedruckt ist.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung (Stromanschlüsse) der Siliziumzelle/Solarzelle des Konzentrator-Solarmoduls mittels wenigstens einer Leiterplatte erfolgt, die sich an die Unterseite der transparenten Schicht anschließt.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieser an seiner Unterseite eine zweite Schutzschicht aufweist, welche die Siliziumzellen an ihrer von der transparenten Schicht abgewandten Seite umschließt.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumzellen/Solarzellen und deren Kontaktierung an der zweiten Schutzschicht angeordnet sind.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schutzschicht mittels Kleber an der Unterseite der transparenten Schicht befestigt ist.
Konzentrator-Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere holografische Folien übereinander angeordnet sind und dass mit deren Hologrammen unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Lichts beeinflussbar sind.