DE202016005505U1

DE202016005505U1 - Gekreuzte Konzentratorbaugruppe

Info

Publication number: DE202016005505U1
Application number: DE202016005505.5U
Authority: DE
Original assignee: Leutz Optics And Illumination Ug (haftungsbeschrankt); SUNOYSTER SYSTEMS GmbH
Current assignee: Leutz Optics And Illumination Ug (haftungsbeschrankt); SUNOYSTER SYSTEMS GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2016-11-11
Anticipated expiration: 2026-09-08

Abstract

Gekreuzter Konzentrator (1) aus transparentem Material mit einer Eintrittsapertur (2) von konvexer zylindrischer Form, deren Rotationsachse rechtwinklig zum Scheitel eines parabolischen Primärspiegels verläuft dessen Position sich in der Brennlinie einer parabolischen Spiegelrinne befindet dessen Körper die Form eines umgekehrten rechtwinkligen Pyramidenstumpfs aufweist und dessen Austrittsapertur (3) eine ähnliche Form und Größe besitzt wie die Solarzellenbaugruppe (8), wobei diese Austrittsapertur mittels eines transparenten flexiblen Materials lückenlos an die Solarzellen anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator zwei unterschiedliche Akzeptanzhalbwinkel aufweist, einer rechtwinklig zum anderen, welche beide die optische Achse Z einschließen, sowie einen frei bestimmten Austrittshalbwinkel.

Description

Parabolspiegel werden üblicherweise eingesetzt, um direkte Solarstrahlung auf eine Brennlinie zu konzentrieren. In den meisten Fällen erhitzt die Parabolrinne ein Fluid, das Prozesswärme oder Dampf für Konzentrierende Solarkraftwerke (Concentrating Solar Power (CSP) plants) liefert. Solche Spiegel werden industriell gefertigt.
Es ist möglich, solche linienfokussierenden Spiegel auch als primäre Stufe in der konzentrierenden Photovoltaik (Concentrating Photovoltaic, CPV) einzusetzen. Die Patentanmeldung PCT/EP2014/052359 beschäftigt sich mit einer Solartechnologie, die zur selben Zeit sowohl elektrischen Strom (CPV) als auch thermische Energie erzeugt (Concentrating Photovoltaic Thermal, CPVT). Diese Patentanmeldung erwähnt ein ,strahlmanipulierendes Element', welches Licht konzentriert. Dieses Licht wurde vorkonzentriert vom Spiegel der primären Stufe (Primärspiegel oder Primärkonzentrator), um nun in der sekundären Stufe durch dass ,strahlmanipulierende Element' (Sekundäroptik) auf Solarzellen konzentriert zu werden. Diese sekundäre Konzentration ist das Thema der vorliegenden Erfindung, nämlich der gekreuzten Konzentratoroptik für rechteckige Solarzellen.
Die sekundäre Konzentration soll in beiden Ebenen der Konzentration funktionieren (siehe unten für die Erklärung), um ein Konzentrationsniveau von mehreren Hundert zu erreichen, damit die Solarzellen der CPV (Mehrfach- oder Stapelzellen) am ökonomischsten genutzt werden können. Eine Konzentration von mehr als 100 wird als hoch bezeichnet (High Concentrating Photovoltaics, HCPV). Weitere Ziele der sekundären Konzentration sind hohe optische Effizienz und große Akzeptanzwinkel des optischen Elements. Weiterhin gilt es, den Winkel des aus der Sekundäroptik austretenden Lichts nicht zu flach zu wählen, um die Reflexion auf der Oberfläche der darunter liegenden Solarzelle zu minimieren. Das optische Element muss kosteneffizient herstellbar sein, was durch ein Pressverfahren erreichbar ist.
Die Herausforderung beim Erreichen eines solch hohen Konzentrationsniveaus mit parabolischen Spiegeln ist, dass diese industriell hergestellten Spiegel üblicherweise nur eine begrenzte Formgenauigkeit aufweisen. Formfehler treten insbesondere in waagerechter Richtung auf. Licht, welches auf den Empfänger auftrifft, hat unter Umständen eine Standardabweichung von mehreren Grad. Aus diesem Grund ist es schwierig für gemeinhin verwendete optische Elemente wie Linsen konvexer Form oder Fresnellinsen, die oben genannten Ziele von Konzentration, Effizienz, Akzeptanz, Austrittswinkel und Kosteneffizienz zu erreichen. Die vorliegende Erfindung erreicht diese Ziele.
Die Erfindung betrifft eine gekreuzte konzentrierende Optik (1, auch Konzentrator, optisches Element, oder Optik), hergestellt aus einem transparenten Material wie Glas, beispielsweise B270, oder jedem transparenten Material, welches sich für die Intensität des hindurchtretenden Lichtes eignet. Das optische Element (1) kann konstruiert und optimiert sein durch mathematische Algorithmen, die physikalische Eigenschaften des optischen Materials berücksichtigen, wie seinen Brechungsindex, oder die des weiteren physikalische Eigenschaften des optischen Materials der dem optischen Element benachbarten Elemente berücksichtigen, wie deren Brechungsindices, und welche die Geometrie des optischen Elements berücksichtigen, wie die Dimensionen der Eintrittsapertur (2), die Dimensionen der Austrittsapertur (3) und die Höhe des optischen Elements. Das optische Element ist integriert in die gekreuzte Konzentratorbaugruppe mit der Solarzellen-Baugruppe und den mechanischen Halterungen, wie sie in dieser Erfindung beschrieben werden.
Die Geometrie der Eintrittsapertur des optischen Elements ist beschrieben durch ihre Länge in x, ihre Breite in y, und ihre Krümmung in z-Richtung, welche sphärisch mit einem bestimmten Radius und dessen Ursprung, asphärisch, oder freiform sein kann.
Konzentrierende optische Elemente konzentrieren Licht. Die maximalen Eintrittswinkel des Lichts (Akzeptanzhalbwinkel genannt) auf der Eintrittsapertur werden gemessen von der optischen Achse Z in der Ebene aufgespannt von der Achse z und der Achse x, und von der optischen Achse Z in der Ebene aufgespannt von der Achse z und der Achse y. Gleichermaßen werden die Austrittshalbwinkel hinter der Austrittapertur definiert. Die Austrittshalbwinkel können so gesetzt werden, dass das Licht das optische Element nach dem Snell'schen Brechungsgesetz mit einem bestimmten gewünschten Austrittswinkel verlässt, selbst wenn das benachbarte Material nicht Luft ist.
Die Konstruktion des optischen Elements beginnt mit einer zweidimensionalen Konstruktion: Basierend auf der Länge oder der Breite der Austrittsapertur und dem entsprechenden Austrittshalbwinkel, unter der Bedingung eines gegebenen Eintrittshalbwinkels in derselben der beiden beschriebenen Ebenen, findet ein Algorithmus die entsprechende Länge oder Breite und die Form der Eintrittsapertur sowie die Höhe des optischen Elements. Die Form dieser Konstruktion ist rein zweidimensional. Um ein voluminöses optisches Element zu generieren, wird diese Form um die optische Achse Z rotiert, oder entlang der Achsen x oder y verlängert, rechtwinklig zu der Ebene, in welcher der zur Konstruktion verwendete Einfallswinkel gemessen wurde.
In 2a sind der Akzeptanz- oder Eintrittshalbwinkel θ und der Austrittshalbwinkel θ' eingezeichnet. Die Höhe (4) des optischen Elements bemisst sich von der Austrittsapertur zum Kragen (5) des optischen Elements. 2b zeigt den Akzeptanzhalbwinkel ψ mit dem korrespondierenden Austrittshalbwinkel ψ'.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem einer sinnvollen Konstruktion des konzentrierenden optischen Elements auf der Basis beider, nicht nur eines der beiden Eintrittswinkel. Diese beiden Winkel sind ihrer Größe nach oft sehr unterschiedlich. Die Optik wird weder rotiert, noch verlängert, sondern aus den beiden Ergebnissen komponiert. Die bei Anwendung der obigen Konstruktionsanweisung in einer Ebene entstehende Form wird mit der bei Anwendung der obigen Konstruktionsanweisung in der anderen Ebene entstehenden Form vereinigt, ,gekreuzt'. Das entstandene gekreuzte optische Element (1) behält notwendigerweise die Höhe und die Form der Eintrittsapertur eines des durch Ausführen der Konstruktionsanweisung erhaltenen Ergebnisses, im Regelfall die des Ergebnisses mit dem kleineren Akzeptanzhalbwinkel der beiden Ergebnisse. Das gekreuzte optische Element akzeptiert und konzentriert alles Licht, welches innerhalb der beiden Paare der Akzeptanzhalbwinkel einfällt.
Die Herstellung des konzentrierenden optischen Elements aus Glas und in einem kosteneffizienten Prozess erfordert das Verfahren des Blankpressens. Oberseite und Unterseite der zu pressenden Linse, die frei von Hinterschnitten sein müssen, werden von negativen Formwerkzeugen geformt, indem diese mit einem erhitzten Stück Glas im Zwischenraum zusammengepresst werden. Um sicherzustellen, dass die Formwerkzeuge vollständig gefüllt werden, dürfen sich diese nicht berühren, sondern müssen einen Abstand behalten, durch den überschüssiges Glas austritt. Dieses Glas formt einen um das gesamte optische Element laufenden Pressflansch (6). Dieser Flansch hat manchmal einen negativen Einfluss auf die optische Effizienz oder die geometrische Konzentration, also das Verhältnis der Fläche der Eintrittsapertur zur Fläche der Austrittapertur, beide projiziert auf die Ebene, welche von den Achsen x und y aufgespannt wird.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem der reduzierten Effizienz oder Konzentration aufgrund des Pressflanschs, indem der Pressflansch an den beiden Seiten parallel zu x unterhalb des Kragens des optischen Elements platziert wird, und indem der Pressflansch dem Verlauf der Eintrittsapertur auf den beiden Seiten parallel zu y folgt.
Der Pressflansch aus überschüssigem Glas kann abgeschlagen, abgesägt, weggeschliffen oder auf einem anderen Weg entfernt werden. Tatsächlich soll der Flansch parallel zu x vorliegend entfernt werden, um optische Elemente ohne Zwischenraum nebeneinander platzieren zu können.
Der Flansch kann dazu benutzt werden, um das optische Element in einer Halterung zu befestigen. Um die präzise, dauerhafte und kosteneffiziente Befestigung des gekreuzten Konzentrators zu ermöglichen, kann der Flansch (6) so optimiert sein, dass seine Form der Form der Eintrittsapertur folgt wie in 1 gezeigt, um einfach an eine Halterung geklammert zu werden. Solche Halterungen können beispielsweise extrudierte Aluminiumprofile oder Druckgussteile sein, welche die Optik entlang ihrer Breite halten. Alternativ kann eine Nut in den Flansch eingebracht werden, um das optische Element gegen Bewegungen in y zu sichern, ohne den optisch aktiven Teil der Oberfläche der Eintrittsapertur zu berühren.
Der Flansch (6) kann weiter so ausgebildet werden, dass er Fixierungsstrukturen (7) für das Festhalten des optischen Elements bereitstellt, wie in 3 gezeigt.
4 zeigt die Solarzellenbaugruppe (auch Zellassembly genannt) (8), in Direct-Copper-Bonding-Technologie ausgeführt. Die Baugruppe besteht hier aus fünf Mehrfachzellen (9). Diese formen ein Rechteck, das in Größe und Form der Austrittsapertur (3) des gekreuzten Konzentrators (1) annähernd entspricht, allerdings minimal größer sein sollte. Eine Bypass-Diode (10) ist gezeigt. Die Baugruppe kann fixiert werden, indem Druck auf die Flächen (11) ausgeübt wird.
5 zeigt einen Schnitt durch den Profilträger (12), hier ein extrudiertes Profil, der als Träger für die gekreuzte Konzentratorbaugruppe aus Solarzellenbaugruppe (8) und Konzentrator (1) einerseits und als Kanal (13) für das Wärmeträgermedium andererseits dient. Die Solarzellenbaugruppe (8) wird auf die Oberfläche (14) des Profilträgers (12) platziert. Klammern zum Andrücken und Halten der Solarzellenbaugruppe können in die Nuten (15) eingebracht werden.
Das Andrücken der Solarzellenbaugruppe (8) mittels Klammern (16), welche in die Nuten (15) des Profilträgers (12), beispielsweise des extrudierten Profils, eingebracht wurden, zeigt 6. Solche Klammern können ebenfalls verwendet werden, um den gekreuzten Konzentrator an einem extrudierten Profil ähnlich dem extrudierten Profil (12) zu befestigen, sofern Fixierungsstrukturen (7) im optischen Element vorgesehen wurden (3).
7 zeigt Muttern auf geschweißten Gewindenippeln (17), welche einen Rahmen (18) niederhalten, der seinerseits die Solarzellenbaugruppe (8) auf der Oberfläche (14) des extrudierten Profils des Profilträgers fixiert.
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

EP 2014/052359 [0002]

Claims

Gekreuzter Konzentrator (1) aus transparentem Material mit einer Eintrittsapertur (2) von konvexer zylindrischer Form, deren Rotationsachse rechtwinklig zum Scheitel eines parabolischen Primärspiegels verläuft dessen Position sich in der Brennlinie einer parabolischen Spiegelrinne befindet dessen Körper die Form eines umgekehrten rechtwinkligen Pyramidenstumpfs aufweist und dessen Austrittsapertur (3) eine ähnliche Form und Größe besitzt wie die Solarzellenbaugruppe (8), wobei diese Austrittsapertur mittels eines transparenten flexiblen Materials lückenlos an die Solarzellen anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator zwei unterschiedliche Akzeptanzhalbwinkel aufweist, einer rechtwinklig zum anderen, welche beide die optische Achse Z einschließen, sowie einen frei bestimmten Austrittshalbwinkel.
Der Konzentrator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Eintrittsapertur (2) asphärisch oder freiform ist.
Der Konzentrator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Seitenwände der Bedingung der Totalreflexion folgt für das Licht, welches von der Eintrittsapertur zur Austrittsapertur hindurchtritt.
Der Konzentrator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (Press-)Flansche (6) so positioniert sind, dass diese Flansche weder die optische Effizienz noch die geometrische Konzentration beeinträchtigen, wobei die Flansche insbesondere der Form der Eintrittsapertur (2) folgen oder unterhalb des Kragens (5) des Konzentrators liegen können.
Der Konzentrator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Flansche die Befestigung des optischen Elements in Halterungen erlauben oder sie eine oder mehrere Rillen, Vertiefungen oder andere Fixierungsstrukturen (7) aufweisen, an denen der Konzentrator von mindestens einer Feder gehalten werden kann.
Der Konzentrator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator (1) Licht auf zwei oder mehrere quadratische oder rechteckige Zellen in einer Solarzellenbaugruppe (8) konzentriert, welche elektrisch parallel verschaltet und so positioniert sind, dass sie eine längliche rechteckige Form bilden, in welcher die Längsseiten in der Ebene der Konzentration des Primärspiegels positioniert sind.
Der Konzentrator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) Licht auf nur eine Zelle in einer Solarzellenbaugruppe (8) konzentriert, wobei diese Zelle eine Länge in der Ebene des Primärspiegels von mindestens dem Zweieinhalbfachen ihrer Breite aufweist.
Der Konzentrator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) Licht auf eine Solarzellenbaugruppe (8) konzentriert, welche auf die Oberfläche (14) des Profilträgers (12) unter der Solarzellenbaugruppe (8) gedrückt wird mittels einer oder mehrerer Federn, welche ihrerseits in einer Nut (15) des Profilträgers (12) gehalten werden.
Der Konzentrator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) Licht auf eine Solarzellenbaugruppe (8) konzentriert, welche auf die Oberfläche (14) des Profilträgers (12) unter der Solarzellenbaugruppe (8) gedrückt wird mittels einer Platte (18), welche den äußeren Rahmen der Solarzellenbaugruppe abdeckt und welche elektrisch gegen die Solarzellen isoliert ist (9).
Die Platte (18) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (18) von einer oder mehreren Muttern auf Gewindenippeln (17) fixiert wird, welche auf die Oberfläche (14) des Profilträgers (12) unter der Solarzellenbaugruppe (8) geschweißt sind und welche durch passende Löcher in der Platte (18) und ggf. der Solarzellenbaugruppe (8) geführt werden.