DE202020000589U1 - Transparent tubes with built-in photovoltaic concentrators - Google Patents
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Abstract
Photovoltaisches Konzentratorelement bestehend aus einem rinnenförmigen sphärischen Spiegelsegment und einem Absorberträger mit Absorber derart, daß die beiden Teile aus einem Metallstück gefertigt, im rechten Winkel zueinander angeordnet sind und der Zentriewinkel zwischen seinen beiden Schenkeln, die auch die Begrenzung des sphärischen Spiegelsegmentes beschreiben, 45° beträgt. Photovoltaic concentrator element consisting of a trough-shaped spherical mirror segment and an absorber carrier with absorber such that the two parts are made of a piece of metal, are arranged at right angles to one another and the center angle between its two legs, which also describe the limitation of the spherical mirror segment, is 45 ° .
Description
Technisches Gebiet:Technical field:
Das technische Gebiet dieser Erfindung betrifft nachführungsfreie photovoltaische Konzentratoren, die in transparenten Röhren verbaut sind und vertikal angeordnet werden können. Das so angeordnete vertikale Röhrensystem hat eine Transparenz / Transluzenz von über 50% und eignet sich daher für Fassaden die eine hohe Lichtdurchlässigkeit benötigen. Das sind Fassaden unterschiedlichster Art wie z.B. Glasfassaden, Fenster unterschiedlichster Art und Größe, Wintergärten, Balkonbrüstungen ,Carports und auch Gewächshäuser.The technical field of this invention relates to tracking-free photovoltaic concentrators which are installed in transparent tubes and can be arranged vertically. The vertical tube system arranged in this way has a transparency / translucency of over 50% and is therefore suitable for facades that require a high level of light transmission. These are facades of all kinds, e.g. Glass facades, windows of various types and sizes, winter gardens, parapets, carports and also greenhouses.
Dächer die eine Transparenz oder einen Halbschatten benötigen, mit einer geringen Neigung von 20 - 30 °, sind ebenfalls als Applikation geeignet wie z.B. Terassenabdeckungen, Wintergärten und GewächshäuserRoofs that need transparency or partial shade, with a slight incline of 20 - 30 °, are also suitable as applications such as Terrace covers, winter gardens and greenhouses
Das technische Gebiet ist im weitesten Sinne die Gebäude integrierte Photovoltaik (Building Integrated Photovoltaik - BIPV).In the broadest sense, the technical field is building integrated photovoltaics (Building Integrated Photovoltaics - BIPV).
Stand der Technik:State of the art:
Nachführungsfreie photovoltaische Systeme für normale und Fassadenapplikationen sind hinlänglich bekannt und Patentiert.
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EP 2294628 -
DE 20 2013 012 512
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DE 20 2013 012 512
Anordnungen in transparenten Röhrensystemen sind ebenfalls schon bekannt und in den Schutzrechten
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DE 20 2015 100 991 -
DE 10 2015 102 985 -
DE 20 2017 006 357 -
DE 20 2018 005 163
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Was in diesen Schutzrechten noch nicht dargestellt ist, sind die exakten geometrischen Abmessungen und Allokation der Konzentratorsysteme in den transparenten Röhren um eine höchstmögliche Energieerzeugung mit den Konzentratorsystemen zu erreichen. What is not yet shown in these property rights is the exact geometric dimensions and allocation of the concentrator systems in the transparent tubes in order to achieve the highest possible energy generation with the concentrator systems.
Darstellung der vorliegenden Erfindung:Presentation of the present invention:
Aufgabe:Task:
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es einen geometrischen Algorithmus zu entwickeln der es gestattet die Konzentratoren so in die transparenten Röhren einzubauen und zu allokieren, daß sie sich in der vertikalen Anordnung übereinander nicht abschatten, und kein Sonnenlicht an den Spiegeln der Konzentratoren vorbeigeht und von ihnen auf die Absorber konzentriert wird.The object of this invention is to develop a geometric algorithm which allows the concentrators to be installed and allocated in the transparent tubes in such a way that they do not shade each other in the vertical arrangement, and no sunlight passes the mirrors of the concentrators and from them the absorber is concentrated.
Gleichzeitig muß die Transparenz / Transluzenz von über 50% gewährleistet sein.At the same time, the transparency / translucency of over 50% must be guaranteed.
Somit ergeben sich drei Fragen:
- 1. Was ist die optimale Fläche des Spiegels?
- 2. Was ist der sich daraus Spiegelradius?
- 3. Wo ist der Mittelpunkt für diesen Spiegelradius?
- 4. Wie groß ist der optimale Zentriewinkel des sphärischen Spiegels?
- 5. Wie breit darf der Absorberträger sein?
- 1. What is the optimal area of the mirror?
- 2. What is the resulting mirror radius?
- 3. Where is the center point for this mirror radius?
- 4. What is the optimal center angle of the spherical mirror?
- 5. How wide can the absorber support be?
Lösung:Solution:
Schaffung eines Konzentrator-Absorber-Systems, das innerhalb der transparenten Röhre frei um seine Längsachse drehbar ist, über die Seitenabdeckungen der Röhren fixiert wird und nur 50 % des horizontal einfallenden Lichtes, d.h. des diffusen Lichtes abschattet und somit in seinen Abmessungen kleiner gleich dem Innenradius der transparenten Röhre ist. Mit dieser Vorgabe kann man alle 5 Fragen beantworten.Creation of a concentrator-absorber system which can be freely rotated about its longitudinal axis within the transparent tube, is fixed via the side covers of the tubes and only 50% of the horizontally incident light, i.e. the diffuse light and therefore its dimensions are smaller than the inner radius of the transparent tube. With this specification you can answer all 5 questions.
Den
Um ohne Abschattungseffekte die Spiegelfläche so groß wie möglich zu machen muß sich die eine Außenkante
Die
In der
Vorteile:Benefits:
Die vorliegende Erfindung zeigt, daß man für eine Konzentratoranordnung (
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung:Best way to carry out the invention:
Der Innenradius der Röhre (
R =
R =
Der Absorberträger, der mit dem Spiegelsegment aus einem Stück Metall, z.B. Aluminium, hergestellt wird, muß kleiner als der Innenradius
Unter diesen Randbedingungen kann das Konzentratorelement bequem in die Röhre (
FigurenlisteFigure list
-
In
1 ist der Querschnitt eines sphärischen Spiegelsegmentes dargestellt mit dem Spiegelsegment (100 ), einem Zentriewinkel von 45 °, einem Absorberträger (200 ), dem Absorber (400 ) und dem Verdrahtungselement (500 ).In1 the cross section of a spherical mirror segment is shown with the mirror segment (100 ), a center angle of 45 °, an absorber carrier (200 ), the absorber (400 ) and the wiring element (500 ). -
Fig .2 stellt dieses sphärische Spiegelsegment perspektivisch mit seinen Elementen Spiegel (
100 ), Absorberträger (200 ), Absorber (400 ) und Verdrahtungsleitung (500 ) dar.2 shows this spherical mirror segment in perspective with its elements mirror (100 ), Absorber carrier (200 ), Absorber (400 ) and wiring line (500 ). -
3 zeigt den Querschnitt eines Röhrenelementes, bestehend aus der transparenten Röhre (300 ) und dem eingebauten Spiegelsegment (100 ) sowie dem Absorber (400 ) mit seinem Absorberträger (200 ). Gleichzeitig wird dargestellt wie das einfallende Sonnenlicht (600 ) vom Spiegel (100 ) reflektiert und das reflektierte Sonnenlicht (700 ) auf den Absorber (400 ) umgelenkt und auf ihm absorbiert wird.3rd shows the cross section of a tube element, consisting of the transparent tube (300 ) and the built-in mirror segment (100 ) and the absorber (400 ) with its absorber carrier (200 ). At the same time, it shows how the incident sunlight (600 ) from the mirror (100 ) reflected and the reflected sunlight (700 ) on the absorber (400 ) is redirected and absorbed on it. -
In
4 sind drei vertikal übereinander angeordnete Querschnitte von transparenten Röhren (300 ) mit den eingebauten Konzentratoren bestehend aus Spiegel (100 ) ,Absorber (400) und Absorberträger (200 ) dargestellt. Gleichzeitig ist gezeigt, daß das gesamte einfallende Sonnenlicht (600 ) von den Konzentratoren aufgefangen wird und in dem System keine Sonnenenergie verloren geht.In4th are three vertically superimposed cross sections of transparent tubes (300 ) with the built-in concentrators consisting of mirrors (100 ), Absorber (400) and absorber carrier (200 ). At the same time, it is shown that all of the incident sunlight (600 ) is collected by the concentrators and no solar energy is lost in the system. -
5 zeigt den Spiegel (100 ) in der tranparenten Röhre (300 ) derart angeordnet, daß der Mittelpunkt des Zentriewinkelsα sich auf der QuerschnittssekantenMM befindet. Die Sekante hat einen Neigungswinkel von 60°, was dem Sonnenhöchststandswinkel z.B. in Mitteleuropa entspricht. Ra ist der Außenradius der Transparenten Röhre (100 ) undRi ihr Innenradius.R stellt den Radius des sphärischen Spiegelsegmentes (100 ) dar.5 shows the mirror (100 ) in the transparent tube (300 ) arranged so that the center of the center angleα itself on the cross-sectional secantMM located. The secant has an inclination angle of 60 °, which corresponds to the highest sun angle, for example in Central Europe. Ra is the outer radius of the transparent tube (100 ) andRi their inner radius.R represents the radius of the spherical mirror segment (100 ). -
6 zeigt eine vergleichbare Anordnung wie in5 in einer transparenten Röhre (300 ), allerdings mit der Definition der PunkteA ,B , undC , sowie dem Sekantenabschnitta vonA nachC , der dem InnenradiusRi der Transparenten Röhre (300 ) entspricht. Der Mittelpunkt M des Spiegels (100 ) mit seinem Zentriewinkelα liegt auf dem Schnittpunkt der DurchmessersekanteMM' und dem InnenradiusRi .6 shows a similar arrangement as in5 in a transparent tube (300 ), but with the definition of the pointsA ,B , andC. , as well as the secant sectiona fromA toC. which is the inner radiusRi the transparent tube (300 ) corresponds. The center point M of the mirror (100 ) with its center angleα lies at the intersection of the diameter edgeMM ' and the inner radiusRi . -
In
7 ist eine vergleichbare Darstellung wie in den5 und6 dargestellt, allerdings mit der Anordnung des PunktesC in der oberen Hälfte der Sekanten und damit Reduktion der Streckea auf einen kleineren Wert alsRi . Mit dieser Verschiebung vergrößert sich der Zentriewinkel .In7 is a representation similar to that in the5 and6 shown, but with the arrangement of the pointC. in the upper half of the secants and thus reduction of the distancea to a smaller value thanRi . With this shift, the center angle increases. -
8 zeigt die Verschiebung vonC in die untere Hälfte der SekanteMM' und damit eine Verkleinerung der Streckea (AC ) sowie auch des Zentriewinkelsα 8th shows the shift ofC. in the lower half of the secantMM ' and thus a reduction in the distancea (AC ) as well as the center angleα -
Die
6 ,7 und8 zeigen, daß die Streckea (AC ) und damit auch die Spiegelfläche (hier als Querschnitt) (AB ) ihren größten Wert hat wenn die Streckea (AC ) dem InnenradiusRi entspricht, damitC im Mittelpunkt des Innenkreises mit RadiusRi der transparenten Röhre (300 ) liegt. Für diesen Fall, in6 beispielhaft dargestellt hat der Zentriewinkel den Wert von 45°.The6 ,7 and8th show that the routea (AC ) and thus also the mirror surface (here as a cross section) (FROM ) has its greatest value when the routea (AC ) the inner radiusRi corresponds to soC. in the center of the inner circle with radiusRi the transparent tube (300 ) lies. In this case, in6 As an example, the center angle has the value of 45 °. -
9 zeigt, daß sich der PunktA auf dem Thales-Kreis überMM' mit dem RadiusRi bewegt. Der Thales-Kreis ist damit der InnenradiusRi der transparenten Röhre (300 ),9 shows that the pointA on the Thales district aboveMM ' with the radiusRi emotional. The Thales circle is therefore the inner radiusRi the transparent tube (300 ), -
In
10 ist ein vertikales System aus transparenten Röhren (300 ) im Querschnitt dargestellt, in dem der Absorber (400 ) auf einen Absorberträger (200 ) montiert ist und kein sphärischer Spiegel zur Lichtkonzentration angewandt wird. In der hier gezeigten Anordnung führt diese auch zu einer vollständigen Absorbtion des einfallenden Lichtes (600 ), allerdings erfordert es einen größeren Absorber.In10th is a vertical system made of transparent tubes (300 ) shown in cross section in which the absorber (400 ) on an absorber carrier (200 ) is mounted and no spherical mirror is used to concentrate the light. In the arrangement shown here, this also leads to complete absorption of the incident light (600 ), but it requires a larger absorber.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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