DE202013012512U1

DE202013012512U1 - Vorrichtung und verfahren zum photovoltaischen absorbieren von einfallendem licht

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Publication number: DE202013012512U1
Application number: DE202013012512.8U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2017-04-21
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: WO2014033179A1; EP2891188A1

Abstract

Zum Konzentrieren von einfallendem Licht (L), insbesondere des Lichts der Sonne, vorgesehene Vorrichtung, aufweisend mindestens einen, insbesondere im Querschnitt sphärischen und/oder insbesondere rinnen- oder wannenförmig ausgebildeten, Kalotten- oder Spiegelkörper (10), mittels dessen das einfallende Licht (L) auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzellenanordnung, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, richtbar oder umlenkbar oder umleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorbermittel (20) asymmetrisch bezüglich des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10), insbesondere bezüglich der Symmetrieachse des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10), zum Beispiel bezüglich der Mittelachse des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10), angeordnet ist, insbesondere dass das Absorbermittel (20) im dezentralen oder lateralen oder seitlichen Bereich des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10) angeordnet 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 und/oder insbesondere rinnen- oder wannenförmig ausgebildeten, Kalotten- oder Spiegelkörper, mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere auf mindestens eine Solarzellenanordnung, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, richtbar oder umlenkbar oder umleitbar 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 und/oder insbesondere rinnen- oder wannenförmig ausgebildeten, Kalotten- oder Spiegelkörpers, mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere auf mindestens eine Solarzellenanordnung, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, gerichtet oder umgelenkt oder umgeleitet wird.
Stand der Technik
Konzentratoren, die als konzentrierendes Element einen Spiegel einsetzen und bei denen sich das Absorbermittel im Strahlengang befindet, wie zum Beispiel ein Parabolspiegel, bringen mehr oder minder starke Abschattungseffekte mit sich. Der Abschattungsgrad hängt vom Größenverhältnis der Absorberfläche A_Abs zur Apertur A_Konz des Spiegels ab.
Es können stets merkbare Abschattungen auftreten, wenn die Apertur größer als die Absorberfläche ist, was bei niedrig konzentrierenden Systemen (Konzentration kleiner als 10) der Fall ist. Bei hoch konzentrierenden Systemen (Konzentration größer als 10) gilt, dass die Apertur erheblich größer als die Absorberfläche ist; hier sind Abschattungseffekte zu vernachlässigen.
Wird beispielsweise ein niedrig konzentrierendes System mit Spiegelelement betrachtet, so können die auftretenden Abschattungseffekte durch die Formgebung des Absorbermittels oder durch seine Lage im Konzentrator zwar reduziert, jedoch im Allgemeinen nicht vollständig aufgehoben werden. Im Ergebnis führen die auftretenden Abschattungseffekte also zu einer Verminderung desjenigen Anteils des einfallenden Lichts, der mittels des Konzentratorsystems in elektrische Energie umgewandelt wird.
Zum technologischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung sei auf die Druckschriften US 5 180 441 , US 2011/0240094 A1 und WO 2012/028625 A2 sowie ergänzend auf die Druckschriften DE 10 2008 001 640 A1 und DE 10 2009 055 432 A1 aufmerksam gemacht.
Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Stands der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass Abschattungseffekte einen möglichst geringen oder gar keinen Einfluss auf die Größe des Anteils des einfallenden Lichts haben, der in elektrische Energie umgewandelt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst, insbesondere durch einen asymmetrisch ausgebildeten Photovoltaik-Konzentrator, der abschattungsfrei arbeitet oder bei dem nur sehr geringe Abschattungseffekte auftreten.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann ein im Querschnitt sphärischer Konzentrator vorgesehen sein, bei dem das Absorbermittel

– asymmetrisch bezüglich der Symmetrieachse, insbesondere asymmetrisch bezüglich der Mittelachse, wie etwa asymmetrisch bezüglich der Mittelsenkrechten, des konzentrierenden Elements und/oder
– außerhalb des direkten Strahlengangs und/oder
– am Rand des konzentrierenden Elements, zum Beispiel bei einem Spiegelsegment mit einem Öffnungswinkel von beispielsweise 45 Grad,

Unabhängig hiervon oder in Verbindung hiermit kann das Absorbermittel derart am konzentrierenden Spiegel angeordnet sein, dass direktes, insbesondere auch diffuses, und/oder am Spiegel reflektiertes Licht in Abhängigkeit vom Lichteinfallswinkel auf den Absorber treffen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die im Querschnitt einem Kreisbogenabschnitt von etwa 45 Grad entsprechende Form des Kalotten- oder Spiegelkörpers auch lediglich näherungsweise verwirklicht sein kann, insbesondere nach Art einer Segmentierung des Kalotten- oder Spiegelkörpers, zum Beispiel in Form mindestens einer geraden Kreissehne als Spiegelelement, wie etwa

– in Form einer die Endpunkte des Kreisbogenabschnitts miteinander verbindenden geraden Kreissehne als Spiegelelement oder
– in Form mindestens zweier aneinander angrenzender gerader Kreissehnen als Spiegelelemente.

Im Falle mindestens zweier gerader Kreissehnen als Spiegelelemente können diese zweckmäßigerweise

– gleich groß sein oder
– unterschiedlich groß sein, so zum Beispiel mit zunehmendem Abstand vom Absorbermittel eine abnehmende Querschnittserstreckung aufweisen.

In vorteilhafter Weise kann bei der vorliegenden Erfindung der Neigungswinkel oder Lagewinkel eingestellt werden, wodurch

– eine Vergrößerung des transparenten Bereichs und des Akzeptanz- oder Toleranzwinkels des Systems erzielbar ist und/oder
– die Ausrichtung des Konzentrators an die jahreszeitliche Sonnenwanderung bzw. an den jahreszeitlichen Sonnenstand anpassbar ist.

In zweckmäßiger Weise kann bei der vorliegenden Erfindung der Akzeptanz- oder Toleranzwinkel, insbesondere durch Wahl der Breite des Absorbermittels, eingestellt werden.
Die vorliegende Erfindung kann in bevorzugter Ausgestaltung in den Seitenführungen mindestens einen Verstellmechanismus zur Einstellung auf Sommer- bzw. Wintersonneneinstrahlung aufweisen.
Unabhängig hiervon oder in Verbindung hiermit kann die Kaustikkurve bei zunehmendem und/oder abnehmendem Sonnenstand und damit zunehmendem und/oder abnehmendem Einfallswinkel denselben Weg über das Absorbermittel in entgegen gesetzter Richtung wandern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann mindestens eine, insbesondere zumindest zweikomponentige, zum Beispiel aus mindestens zwei voneinander unabhängigen, gegeneinander verschieblichen Elementen gebildete, Seitenführung vorgesehen sein, in die mindestens ein Träger, insbesondere mindestens eine Verlängerung des Absorberträgers, einsteckbar ist, wobei die Seitenführung mindestens einen Einstell- oder Verstellmechanismus zum Drehen oder Neigen des Kalotten- oder Spiegelkörpers und/oder des Absorbermittels einschließlich des Trägers um einen beliebigen Winkel aufweist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann der Träger mindestens eine(n) Ausnehmung, Nut, Öffnung und/oder Schlitz aufweisen, mittels derer/dessen mindestens eine elektrische Leitung führbar ist, insbesondere zwischen den Absorbermitteln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die zumindest aus Kalotten- oder Spiegelkörper und Absorbermittel gebildeten Einheiten zueinander versetzbar oder verschieblich, insbesondere zusammenschiebbar und auseinanderziehbar, ausgebildet sein.
Mittels dieser Versetzbarkeit oder Verschieblichkeit kann in zweckmäßiger Weise die Verschattung bzw. Transparenz eines Schräg- oder Flachdachs gesteuert oder geregelt werden, was insbesondere in äquatornahen Regionen sinnvoll ist, in denen das Sonnenlicht im Wesentlichen senkrecht auf Flachdächer einfällt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann mindestens eine dem Absorbermittel zugeordnete Kühleinrichtung, insbesondere mindestens ein mit mindestens einem Fluid gefüllter, zum Beispiel zwischen mindestens zwei Fenster- oder Glasscheiben anordbarer, Kühlkörper, vorgesehen sein, mittels dessen

– das Absorbermittel kühlbar ist und/oder
– Wärmeenergie aufnehmbar und/oder transportierbar ist, insbesondere nach Art der Thermovoltaik.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann mindestens ein, insbesondere im vom einfallenden Licht abgewandten Bereich des Trägers angeordnetes, Leuchtmittel, insbesondere mindestens eine lichtemittierende Diode, vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann mindestens ein, insbesondere nachführbares, Lamellenelement im von der Sonnenseite abgewandten Bereich des Absorbermittels, insbesondere im Bereich hinter dem Absorbermittel, vorgesehen sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann mindestens eine Seitenführung oder Seitenhalterung vorgesehen sein, entlang der mindestens eine Leitung zum Verkabeln des Absorbermittels geführt, insbesondere mittels mindestens einer Klebestruktur, zum Beispiel mittels mindestens eines doppelseitigen Klebebands oder mittels Klebstoff, aufgeklebt, ist.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere

– an und/oder in mindestens einem Fensterelement ohne isolierende Wirkung oder mit isolierender Wirkung, insbesondere an und/oder in mindestens einem Isolierglassystem,
– an und/oder in mindestens einem Fassadenelement, zum Beispiel an und/oder in mindestens einem Glasfassadenelement, oder
– an und/oder in mindestens einem Dachelement, zum Beispiel an und/oder in mindestens einem Schrägdach- oder Flachdachelement, wie etwa eines Pultdachs oder eines Wintergartens,

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 1A bis 22B veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
1A in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
1B bis 1D in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein jeweiliges Ausführungsbeispiel eines gegenüber dem Kalotten- oder Spiegelkörper aus 1A in der Form abgewandelten Kalotten- oder Spiegelkörpers für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
2 in konzeptuell-schematischer Schnittansicht die Anordnung mehrerer Vorrichtung aus 1A an einer Fassade;
3 bis 7 in konzeptuell-schematischer Schnittansicht die Vorrichtung aus 1A mit unterschiedlichen Neigungswinkeln oder Lagewinkeln zur Sonne;
8 in perspektivischer (Längs-)Ansicht die Vorrichtung aus 1A;
9 in perspektivischer (Längs-)Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Seitenführung für die Vorrichtung aus 1A;
10 in perspektivischer (Längs-)Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Seitenführung für die Vorrichtung aus 1A;
11 in konzeptuell-schematischer Schnittansicht die Auswirkungen der Verschieblichkeit auf die Halterung der Vorrichtung aus 1A;
12 in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
13 in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
14 in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
15A in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein sich in einer ersten Position befindliches fünftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
15B in konzeptuell-schematischer Schnittansicht die Vorrichtung aus 15A in einer zweiten Position;
15C in konzeptuell-schematischer Schnittansicht die Vorrichtung aus 15A in einer dritten Position;
16 in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
17A in Aufsicht ein siebtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
17B in konzeptuell-schematischer Schnittansicht die Vorrichtung aus 17A;
17C in konzeptuell-schematischer Schnittansicht eine Abwandlung der Vorrichtung aus 17A;
18A bis 18D in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordneten Trägers mit definierter Führung der Leitung(en);
19A bis 19D in konzeptuell-schematischer Schnittansicht (= 19A, 19B) bzw. Vorderansicht (= 19C) bzw. Rückansicht (= 19D) ein zweites Ausführungsbeispiel eines der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordneten Trägers mit definierter Führung der Leitung(en);
20A und 20B in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel für die Verschieblichkeit oder Versetzbarkeit der einzelnen Elemente der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zueinander;
21A und 21B in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel für die Verschieblichkeit oder Versetzbarkeit der einzelnen Elemente der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zueinander; und
22A und 22B in konzeptuell-schematischer Schnittansicht ein drittes Ausführungsbeispiel für die Verschieblichkeit oder Versetzbarkeit der einzelnen Elemente der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zueinander.
Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in 1A bis 22B 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 – auf die anhand 1A bis 17C veranschaulichten, zum Teil mit exemplarischen Bemessungsangaben versehenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Wird ein im Querschnitt sphärischer Konzentrator in Form eines Kalotten- oder Spiegelkörpers 10 mit einem Öffnungswinkel von etwa 45 Grad wie in 1A an einer Fassade F montiert, so kann ein Absorbermittel 20 auf der in Bezug auf den Stand der Sonne oberen Seite, beispielsweise senkrecht zum Boden des Spiegels 10, angebracht werden. In diesem Fall liegt das Absorbermittel 20 außerhalb des direkten Strahlengangs des einfallenden Lichts L und erzeugt keine Abschattung.
Das Absorbermittel 20 wird infolge der Kaustik des im Querschnitt sphärischen Spiegels 10 mit dem umgelenkten eintretenden Licht L beleuchtet, wie in 1A anhand der eingezeichneten Kaustikkurve K zu sehen ist. Der Schnittpunkt des Absorbermittels 20 mit der Kaustikkurve K liegt im in Bezug auf den Stand der Sonne oberen Bereich des Absorbermittels 20.
Die Spiegelanordnung mit einem Öffnungswinkel des Spiegels 10 von etwa 45 Grad und mit dem Absorber 20 nutzt die volle Konzentrationsfähigkeit bezüglich des Ausrichtungswinkels (Lagewinkels) und die Winkeltoleranz des im Querschnitt sphärischen Konzentrators 10 (vgl. 1), denn ein Spiegelsegment von 45 Grad reicht aus, um das einfallende Licht L auf den Absorber 20 gemäß 1A zu konzentrieren.
Im Falle der Anordnung gemäß 1A beträgt der transparente Bereich T etwa 38 Prozent, der intransparente Bereich U etwa 62 Prozent.
Aus 1B, 1C und 1D ist ersichtlich, dass die im Querschnitt einem Kreisbogenabschnitt von etwa 45 Grad entsprechende Form des Spiegels 10 (vgl. 1A) auch lediglich näherungsweise verwirklicht sein kann, insbesondere nach Art einer Segmentierung des Spiegels 10, zum Beispiel in Form mindestens einer geraden Kreissehne als Spiegelelement, wie etwa

– in Form einer die Endpunkte des Kreisbogenabschnitts miteinander verbindenden geraden Kreissehne als Spiegelelement (vgl. 1B) oder
– in Form zweier aneinander angrenzender gerader Kreissehnen als Spiegelelemente (vgl. 1C) oder
– in Form mehrerer aneinander angrenzender gerader Kreissehnen als Spiegelelemente (vgl. 1D).

Im Falle mindestens zweier gerader Kreissehnen als Spiegelelemente können diese gleich groß sein oder unterschiedlich groß sein, so zum Beispiel mit zunehmender Entfernung vom Absorbermittel 20 eine abnehmende Querschnittsausdehnung aufweisen.
2 zeigt die Anordnung mehrerer derartiger Konzentratorspiegel 10 an einer Fassade F, und wie in 1A sind die transparenten Bereiche T und die intransparenten Bereiche U eines derartigen Konzentratorsystems an einer Fassadenapplikation ersichtlich.
Das Konzentratorsystem kann zwischen die ersten beiden Scheiben eines mehrfach verglasten Isolierglasfensters integriert werden und sowohl mit festem als auch mit einstellbarem Lagewinkel montiert werden.
In 3 bis 6 ist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen Neigungswinkeln (Lagewinkeln) dargestellt, so dass eine optimale Ausrichtung zur Sonne einstellbar ist. Hierbei ist im Idealfall der Winkel zu wählen, der bei Südausrichtung dem Sonnenstand um die Mittagszeit entspricht (Tagesmaximalwinkel). Ideal auf die Sonne ausgerichtet bedeutet, dass der Absorber 20 parallel zu den einfallenden Sonnenstrahlen L ausgerichtet ist.
3 bis 6 zeigen beispielhaft Winkel zwischen fünfzig Grad und sechzig Grad bezüglich der(/s) Sonne(nhöchststands), nämlich

– in 3: Ausrichtungswinkel, insbesondere bei Sonnenhöhenwinkel von etwa fünfzig Grad: etwa fünfzig Grad
– transparenter Bereich T: etwa 45 Prozent, intransparenter Bereich U: etwa 55 Prozent;
– in 4: Ausrichtungswinkel, insbesondere bei Sonnenhöhenwinkel von etwa 52 Grad: etwa 52 Grad
– transparenter Bereich T: etwa 51 Prozent, intransparenter Bereich U: etwa 49 Prozent;
– in 5: Ausrichtungswinkel, insbesondere bei Sonnenhöhenwinkel von etwa 55 Grad: etwa 55 Grad
– transparenter Bereich T: etwa 55 Prozent, intransparenter Bereich U: etwa 45 Prozent;
– in 6: Ausrichtungswinkel, insbesondere bei Sonnenhöhenwinkel von etwa sechzig Grad: etwa sechzig Grad
– transparenter Bereich T: etwa 64 Prozent, intransparenter Bereich U: etwa 36 Prozent.

Neben der durch die dezentrale oder laterale oder seitliche Montage des oder der Absorbermittel 20 erwirkten Abschattungsfreiheit weist die vorliegende Erfindung noch weitere Vorteile auf:
Die ideale Ausrichtung eines Photovoltaik-Systems und damit auch des vorliegenden Konzentratorsystems ist die Südseite einer Fassade F. Hierdurch ist die maximale Energieumwandlung beim Sonnenhöchststand am Mittag gewährleistet. Der Einfallswinkel der Sonne wächst über den Vormittag an und erreicht sein Maximum um die Mittagszeit. Der Einfallswinkel der Sonne im Sommer beträgt dann etwa sechzig Grad im mitteleuropäischen Raum. Am Nachmittag nimmt der Einfallswinkel entsprechend wieder ab.
Die vorliegende Erfindung kann derart ausgelegt werden, dass das konzentrierte Licht L bei ansteigendem Winkel und bei abnehmendem Winkel denselben Weg über das Absorbermittel 20 wandert, nur in entgegen gesetzter Richtung. Der Wendepunkt wird beim Sonnenhöchststand am Mittag erreicht. Dies ermöglicht eine ideale Ausrichtung des Systems zum Sonnenhöchststand.
Die Sonnenwanderung über den Tag, zum Beispiel im Hochsommer

– von etwa dreißig Grad am Morgen (vgl. die Darstellung in 7)
– über etwa sechzig Grad zur Mittagszeit
– zu dreißig Grad am späten Nachmittag (vgl. die Darstellung in 7)

20

22

Die vorliegende Erfindung bietet somit durch Lage und Breite des Absorbers 20 einen Freiheitsgrad, den Akzeptanz- oder Toleranzwinkel für die ”Wanderung” der Kaustikkurve K mit dem Einfall des Sonnenlichts L zu optimieren. Bei den vorliegend exemplarisch gewählten Geometrien, beispielsweise

– etwa zwanzig Millimeter für den Radius des Spiegels 10 und
– etwa acht Millimeter für die Breite des Absorbermittels 20,

20

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der im Vergleich zu konventionellen Systemen geringeren Einbautiefe. Ein Konzentrator 10 mit einem Radius von zum Beispiel etwa zwanzig Millimetern bedingt eine Einbautiefe von weniger als etwa zwanzig Millimeter. Bei der erfindungsgemäß geringen Einbautiefe handelt es sich um ein Merkmal, das für den Einbau in ein Fenster mit Isolierglasscheibensystem sehr wesentlich sein kann.
Durch die in Bezug auf die Mittelachse des konzentrierenden Spiegelelements 10 dezentrale oder laterale oder seitliche Anordnung des Absorbermittels 20 kann auch Licht L, das nicht über den Spiegel 10 konzentriert wird, also direktes und insbesondere diffuses Licht L auf den Absorber 20 gelangen (vgl. 7). Dies ermöglicht auch bei einem sehr hohen Anteil von diffusem Licht L eine Funktionsfähigkeit der vorliegenden Erfindung. Hierbei arbeitet die vorliegende Erfindung wie ein planares System mit vergleichbarer effektiver Fläche.
Darüber hinaus ermöglicht dies bei sehr niedrigen Sonnenständen von weniger als dreißig Grad eine direkte Ausleuchtung des Absorbermittels 20 (vgl. 7). Somit ist auch außerhalb des Akzeptanz- oder Toleranzwinkels des Konzentratorsystems eine Umwandlung des einfallenden Lichts L in elektrische Energie möglich.
Im Falle der Anordnung gemäß 7 beträgt der transparente Bereich T etwa 64 Prozent, der intransparente Bereich U etwa 36 Prozent.
Des Weiteren kann das System gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer sehr einfachen Einstellmöglichkeit kombiniert werden.
8 zeigt eine perspektivische Längsansicht des Konzentrators, der einen im Querschnitt sphärischen Spiegel 10 entsprechend einem Zylindersegment von etwa 45 Grad mit angesetztem Träger 22 aufweist. Dieser Träger 22 ist an beiden Seiten etwas länger (<--> Bezugszeichen 22v) als der Konzentratorspiegel 10 (,was in 8 aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung nur einseitig eingezeichnet ist).
9 zeigt die Seitenführung 24, in die Verlängerungen 22v des Trägers 22 eingesteckt werden können. Diese Seitenträger 24 können auch aus zwei unabhängigen Elementen gebildet sein (vgl. 10), die gegeneinander verschieblich ausgestaltet sein können.
Anhand 11 sind die Auswirkungen der Verschiebung auf die Halterung von Konzentrator 10/Absorber 20 veranschaulicht, die dadurch in ihrer Neigung verstellt werden können. In Abhängigkeit von der Größe der in der Seitenführung 24 angeordneten, insbesondere schlitzförmigen, Aussparung 26, zum Beispiel in Form mindestens einer Ausfräsung zur Auflage des Trägers 22, können unterschiedliche Hübe eingestellt werden, womit dem System eine unterschiedliche Neigung zur Sonne gegeben werden kann. Das System bietet dem eingesteckten Träger 22 vier feste Auflagepunkte A, B, C, D und hat somit zwei feste Einstellungen, zum Beispiel ohne Zwischeneinstellung.
Mit einer derartigen Halterung kann der Konzentrator auf eine Sommerzeit und auf eine Winterzeit eingestellt werden, um den Grad der Energieumwandlung weiter zu steigern.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 11 ist ein mechanischer Hub von etwa drei Millimetern dargestellt, der zu einer Winkelverstellung von etwa zwölf Grad führt, zum Beispiel von etwa 39 Grad auf etwa 51 Grad der Konzentratorneigung. Eine Winkelverstellung von etwa zwanzig Grad bedingt einen mechanischen Hub von etwa sechs Millimetern.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Enden des Trägers 22 rund bzw. zylindrisch ausgeführt sein, damit diese als Drehachsen des Konzentrators eingesetzt werden können. Hier können beispielsweise auch die elektrischen Leitungen 42 durchgeführt werden.
Gemäß der Ausgestaltungsform in 12 kann ein mit mindestens einem Fluid gefüllter Körper 28 an das Konzentratorsystem und somit beispielsweise zwischen ein Glasscheibensystem angebracht werden, der das Absorbermittel 20 kühlt und/oder zum Aufnehmen und Transportieren von Wärmeenergie nach thermovoltaischer Art genutzt werden kann.
Im Falle der Anordnung gemäß 12 beträgt der transparente Bereich T etwa 64 Prozent, der intransparente Bereich U etwa 36 Prozent.
Gemäß der Ausgestaltungsform in 13 kann, zum Beispiel am in Bezug auf den Stand der Sonne oberen Ende des Absorbermittels 20, mindestens ein reflektierender Steg 32 zum Umlenken des nicht von vorneherein in den Konzentrator gelangenden Lichts L vorgesehen sein. Dieser Steg 32 kann auch als, insbesondere zusätzlicher, Blend-, Sicht- und/oder Sonnenschutz im Innen- und/oder Außenbereich von Gebäuden fungieren.
Gemäß der Ausgestaltungsform in 14 kann im von der Sonnenseite abgewandten Bereich des Trägers 22, insbesondere im Bereich hinter dem Träger 22, mindestens ein Leuchtmittel 30, insbesondere mindestens eine LED (= lichtemittierende Diode), angeordnet sein.
Derartige, insbesondere verschiedenartig positionierte (vgl. 14), Leuchtmittel 30 können für die Beleuchtung einer Fassade F eingesetzt werden, in die die gebäudeintegrierbaren Module montiert werden. Alternativ oder ergänzend können die Leuchtmittel 30 für die Darstellung von Produktinformationen oder von Werbung auf der Fassade F genutzt werden.
Es kann hierbei sowohl die Rückseite des Kalotten- oder Spiegelkörpers 10 als auch mindestens eine zusätzlich eingefügte reflektierende Ebene 34 für die Umlenkung des Lichts des Leuchtmittels 30 eingesetzt werden, wie anhand 14 exemplarisch veranschaulicht.
Um eine Erhöhung des Grads der Abschattung im Raum hinter dem in das Fenstersystem integrierten Photovoltaik-Konzentrator-System zu erzielen, kann mindestens ein zusätzliches Lamellenelement 36 eingefügt sein (vgl. 15A). Diese Lamelle 36 kann im von der Sonnenseite abgewandten Bereich des Trägers 22, insbesondere im Bereich hinter dem Träger 22, angeordnet sein.
Zur Erhöhung der Verschattung ist das Element 36 beispielsweise mit dem vorstehend beschriebenen Verstellmechanismus in den transparenten Bereich des Photovoltaik-Konzentrator-Systems bewegbar oder nachführbar. Wird das Lamellenelement 36 nicht nur parallelverschoben, sondern zusätzlich um einen Winkel bezüglich des Trägers 22 gedreht (vgl. 15B, 15C), so kann mit diesem Lamellenelement 36 ebenfalls der Anteil des über den Konzentratorspiegel 10 auf das Absorberelement 20 umgelenkten oder umgeleiteten Lichts bei reduzierten Sonnenständen (kleiner als der Ausrichtungswinkel, hier etwa sechzig Grad) erhöht werden.
Somit dient dieses zusätzliche Lamellenelement 36 gemäß 15A, 15B, 15C nicht nur der Erhöhung der Verschattung, sondern auch der Erhöhung des Energieertrags des in das Scheibenelement integrierten Photovoltaik-Konzentrator-Systems für Einfallswinkel der Sonne, die vom Ausrichtungswinkel abweichen.
Dieser Effekt kann auch entsprechend 16 realisiert werden. Hierbei ist anders als in 15A, 15B, 15C kein zusätzliches Lamellenelement in das Photovoltaik-Konzentrator-System integriert, sondern der Konzentratorspiegel 10 ist

– drehbar oder rotierbar am Träger 22 oder
– vom Träger 22 unabhängig drehbar oder rotierbar in einer Seitenführung oder Seitenaufhängung

10

16

Im Ausführungsbeispiel gemäß 17A dient eine Seitenführung oder Seitenhalterung 38 zur Befestigung der einzelnen Konzentratoren innerhalb des Photovoltaikmoduls bzw. Isolierglassystems mit integrierter Photovoltaik. Die Leitungen 42 zur Verkabelung der einzelnen Konzentratoren innerhalb des Isolierglases können entlang der Seitenführung oder Seitenhalterung 38 geführt werden. Hierfür können die Leitungen 42 auf die Seitenführung oder Seitenhalterung 38 insbesondere aufgeklebt sein (vgl. 17B), zum Beispiel mittels mindestens einer Klebestruktur 44, wie etwa mittels eines doppelseitigen Klebebands oder mittels Klebstoffs.
Für den Fall, dass der Leiter 42 unisoliert ist, kann eine zusätzliche isolierende Klebestruktur 46, zum Beispiel in Form einer weiteren Klebefolie oder eines Klebstoffs, zur Isolation aufgebracht werden (vgl. 17C). Dies ermöglicht eine sehr flache Führung der Leitung 42, so dass nur sehr geringe Flächenverluste für die Photovoltaikelemente entstehen.
Die Seitenhalter 38 können gemäß 17A auch an mindestens einen Abstandshalter 40 des Isolierglasverbunds montiert werden. Ebenso kann der Seitenhalter 38 direkt in den Abstandshalter 40 des Isolierglases integriert werden bzw. ein integraler Bestandteil des Abstandshalters 40 sein.
Wie der jeweiligen Darstellung der 18A bis 18D (= erstes Ausführungsbeispiel eines Profils für den Träger 22 des Konzentratorsystems mit definierter Führung der Leitung(en) 42) sowie der 19A bis 19D (= zweites Ausführungsbeispiel eines Profils für den Träger 22 des Konzentratorsystems mit definierter Führung der Leitung(en) 42v, 42r) entnehmbar, dient der Träger 22 für das Konzentratorsystem der definierten Befestigung des Spiegels 10 und des Absorbermaterials 20, insbesondere des Siliziums.
Der Träger 22 kann verschiedene Ausnehmungen, Nute, Öffnungen und/oder Schlitze 48 aufweisen, mittels derer die Führung der elektrischen Leitungen 42 (vgl. 18A bis 18D) bzw. 42v, 42r (vgl. 19A bis 19D) ermöglicht wird. Innerhalb der Ausnehmungen, Nuten, Öffnungen und/oder Schlitze 48 können die Verbindungsleitungen 42, 42v, 42r zwischen den Absorbermaterialien 20 geführt werden.
Die Ausnehmungen, Nute, Öffnungen und/oder Schlitze 48 können bereits bei der Profilherstellung oder auch erst im Nachhinein eingebracht werden.
Unabhängig hiervon oder in Verbindung hiermit kann das Profil für den Träger 22 in demjenigen Bereich, an dem der Spiegel 10 anordbar ist, auf den Radius des Spiegels 10 angepasst werden (vgl. 18D), was eine exakte Platzierung des Spiegels 10 auf dem Träger 22 ermöglicht.
Die Ausnehmungen, Nute, Öffnungen und/oder Schlitze 48 können genutzt werden, um die Leitungen 42, 42v, 42r von der das Absorbermaterial 20 aufweisenden Vorderseite (vgl. 19C) des Trägers 22 auf die Rückseite (vgl. 19D) des Trägers 22 zu führen (vgl. 19B).
Derartige Ausnehmungen, Nute, Öffnungen und/oder Schlitze 48 können beispielsweise gefräst, gebohrt oder in bevorzugter Weise gestanzt werden und ermöglichen die Führung der Leitung 42r der Rückseitenkontaktierung des Absorbermaterials 20 auf der Rückseite (vgl. 19D) des Trägers 22.
Insbesondere für Schräg- oder Flachdächer vorgesehene Konzentratoranordnungen können eine mechanische Nachführung aufweisen, mittels derer die einzelnen Konzentratorelemente relativ zueinander verschiebbar sind, das heißt einer Abstandsregelung unterliegen können.
So geht aus der exemplarischen Darstellung der 20A und 20B hervor, dass benachbarte Konzentratoren innerhalb einer (Isolier-)Glasscheibe versetzt angeordnet sein können, um die Transparenz zu erhöhen.
Die exemplarische Darstellung der 21A und 21B zeigt einen entsprechenden Versatz benachbarter Konzentratoren bei verschiedenen Dachneigungswinkeln.
Anhand der Darstellung der 22A und 22B ist eine mechanisch bewegliche Anordnung für die Flachdachanwendung zur Maximierung der Verschattung (vgl. 22A) bzw. zur Maximierung der Transparenz (vgl. 22B) exemplarisch veranschaulicht, wobei die einzelnen Konzentratorelemente zusammenschiebbar (vgl. 22A) bzw. auseinanderziehbar (vgl. 22B) sind. Die Anordnung gemäß 22A, 22B eignet sich insbesondere für die Anwendung in äquatornahen Regionen, in denen das Sonnenlicht im Wesentlichen senkrecht auf Flachdächer einfällt.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind unter Anderem:

– Konzentratorstruktur mit hoher Leistungsfähigkeit und mit hohem Akzeptanz- oder Toleranzwinkel;
– Eliminierung der Abschattung oder zumindest wesentliche Verminderung der Abschattung durch den Ort der Anbringung des Trägers;
– ideale Ausrichtung des Systems zur Wanderung der Sonne und damit effektive Erhöhung des Akzeptanz- oder Toleranzwinkels;
– weitere Reduzierung der Bautiefe unterhalb des Spiegelradius;
– hoher Modulwirkungsgrad;
– hohe Transparenz (von beispielsweise mehr als fünfzig Prozent) möglich;
– Akzeptanz- oder Toleranzwinkel auf die Sonnenwanderung ausrichtbar;
– geringe Einbautiefe (von beispielsweise weniger als zwanzig Millimeter) möglich;
– einfache elektrische Verdrahtung durch dezentrale oder laterale oder seitliche Anordnung des Absorbermittels.

Bezugszeichenliste

10: Kalotten- oder Spiegelkörper
20: photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere Photovoltaikanordnung oder Solarzellenanordnung, zum Beispiel Solarzellenplatte oder Solarzellenriegel
22: Träger des Kalotten- oder Spiegelkörpers 10 und/oder des photovoltaischen Absorbermittels 20, insbesondere Absorberträger
22v: verlängerter Bereich des Trägers 22 oder Verlängerung des Trägers 22
24: Seitenführung oder Seitenträger
26: Ausnehmung, insbesondere Ausfräsung, in Seitenführung oder Seitenträger 24
28: Kühleinrichtung, insbesondere mit Fluid gefüllter (Kühl-)Körper
30: Leuchtmittel, insbesondere lichtemittierende Diode oder LED
32: reflektierender Steg
34: reflektierende Ebene
36: Lamelle oder Lamellenelement
38: Seitenführung oder Seitenhalterung
40: Abstandshalter
42: elektrischer Leiter oder elektrische Leitung
42r: rückkontaktierter elektrischer Leiter oder rückkontaktierte elektrische Leitung
42v: front- oder vorderkontaktierter elektrischer Leiter oder front- oder vorderkontaktierte elektrische Leitung
44: Klebestruktur
46: zusätzliche isolierende Klebestruktur
48: Ausnehmung oder Nut oder Öffnung oder Schlitz
A: erster Auflagepunkt
B: zweiter Auflagepunkt
C: dritter Auflagepunkt
D: vierter Auflagepunkt
F: Fassade, insbesondere Fassadenelement oder Fassadenfront
K: Kaustikkurve
L: Licht, insbesondere einfallendes Licht
T: Transparenz, insbesondere Bereich der Transparenz oder transparenter Bereich
U: Intransparenz, insbesondere Bereich der Intransparenz oder intransparenter Bereich

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

US 5180441 [0006]
US 2011/0240094 A1 [0006]
WO 2012/028625 A2 [0006]
DE 102008001640 A1 [0006]
DE 102009055432 A1 [0006]

Claims

Zum Konzentrieren von einfallendem Licht (L), insbesondere des Lichts der Sonne, vorgesehene Vorrichtung, aufweisend mindestens einen, insbesondere im Querschnitt sphärischen und/oder insbesondere rinnen- oder wannenförmig ausgebildeten, Kalotten- oder Spiegelkörper (10), mittels dessen das einfallende Licht (L) auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzellenanordnung, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, richtbar oder umlenkbar oder umleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorbermittel (20) asymmetrisch bezüglich des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10), insbesondere bezüglich der Symmetrieachse des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10), zum Beispiel bezüglich der Mittelachse des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10), angeordnet ist, insbesondere dass das Absorbermittel (20) im dezentralen oder lateralen oder seitlichen Bereich des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalotten- oder Spiegelkörper (10) und/oder das Absorbermittel (20) um einen beliebigen Winkel drehbar oder neigbar sind/ist, insbesondere dass der Neigungswinkel oder Lagewinkel des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10) und/oder des Absorbermittels (20) einstellbar ist, zum Beispiel in Abhängigkeit vom jahreszeitlichen Sonnenstand.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens einen Träger (22), an, auf oder unter dem – der Kalotten- oder Spiegelkörper (10) und/oder – das Absorbermittel (20) angeordnet sind/ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (22) mindestens eine(n) Ausnehmung, Nut, Öffnung und/oder Schlitz (48) aufweist, mittels derer/dessen mindestens eine elektrische Leitung (42) führbar ist, insbesondere zwischen den Absorbermitteln (20).
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 und gemäß Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch mindestens eine, insbesondere zumindest zweikomponentige, zum Beispiel aus mindestens zwei voneinander unabhängigen, gegeneinander verschieblichen Elementen gebildete, Seitenführung (24), in die der Träger (22), insbesondere mindestens eine Verlängerung (22v) des Trägers (22), einsteckbar ist, wobei die Seitenführung (24) mindestens einen Einstell- oder Verstellmechanismus zum Drehen oder Neigen des Kalotten- oder Spiegelkörpers (10) und/oder des Absorbermittels (20) einschließlich des Trägers (22) um einen beliebigen Winkel aufweist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens eine dem Absorbermittel (20) zugeordnete Kühleinrichtung (28), insbesondere durch mindestens einen mit mindestens einem Fluid gefüllten, zum Beispiel zwischen mindestens zwei Fenster- oder Glasscheiben anordbaren, Kühlkörper, mittels dessen – das Absorbermittel (20) kühlbar ist und/oder – Wärmeenergie aufnehmbar und/oder transportierbar ist, insbesondere nach Art der Thermovoltaik.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens ein, insbesondere im vom einfallenden Licht (L) abgewandten Bereich des Trägers (22) angeordnetes, Leuchtmittel (30), insbesondere durch mindestens eine lichtemittierende Diode.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens ein, insbesondere nachführbares, Lamellenelement (36) im von der Sonnenseite abgewandten Bereich des Absorbermittels (20), insbesondere im Bereich hinter dem Absorbermittel (20)
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens eine Seitenführung oder Seitenhalterung (38), entlang der mindestens eine elektrische Leitung (42) zum Verkabeln des Absorbermittels (20) geführt, insbesondere mittels mindestens einer Klebestruktur (44), zum Beispiel mittels mindestens eines doppelseitigen Klebebands oder mittels Klebstoff, aufgeklebt, ist.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalotten- oder Spiegelkörper (10) aus mindestens einem geraden Abschnitt, insbesondere nach Art mindestens einer Kreissehne, gebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle mindestens zweier Abschnitte – die einzelnen Abschnitte gleich groß sind oder – die einzelnen Abschnitte unterschiedlich groß sind, insbesondere mit zunehmender Distanz vom zugeordneten Absorbermittel (20) eine abnehmende Querschnittserstreckung aufweisen.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest aus Kalotten- oder Spiegelkörper (10) und Absorbermittel (20) gebildeten Einheiten zueinander versetzbar oder verschieblich, insbesondere zusammenschiebbar und auseinanderziehbar, ausgebildet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Versetzbarkelt oder Verschleblichkeit die Verschattung bzw. Transparenz eines Schräg- oder Flachdachs steuerbar ist.