DE20220390U1

DE20220390U1 - Semi-statischer Konzentrator

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Publication number: DE20220390U1
Application number: DE20220390U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2012-02-01

Description

Semi-statischer Konzentrator

Als Konzentratoren werden Systeme der geometrischen Optik bezeichnet, die zur Lichtbündelung dienen. Sie werden sowohl für photovoltaische als auch für solarthermische Systeme genutzt. Durch die Vervielfachung der Strahlungsdichte werden bei solarthermischen Anlagen die Absorberverluste minimiert und dadurch der Wirkungsgrad erhöht.

Bei den hier betrachteten photovoltaischen Systemen kann durch eine verringerte Fläche an Solarzellen das Verhältnis der Solarzellenkosten im Vergleich zu den Gesamtkosten gesenkt werden. In Mittel- und Nordeuropa haben sich Konzentratoren aufgrund des wolkigen Klimas bisher nicht durchgesetzt, da diese hauptsächlich die direkte Strahlung nutzen. Die diffuse Strahlung bleibt in nachgeführten Konzentratoren meistens ungenutzt, obwohl der Anteil an der Gesamtstrahlung bis zu 50% betragen kann. Diese wird nur von statischen Konzentratoren genutzt, die hingegen nur eine sehr kleine Konzentration erreichen, so dass auch hier der Einsatz wirtschaftlich fragwürdig ist. Bisherige Entwicklungen schließen den Anwendungsbereich mit mittleren Konzentrationsfaktoren zwischen 3 und 10 in der Regel aus.

Im folgenden werden die bereits erwähnten Bauformen näher erläutert, es wird primär zwischen nachgeführten und statischen Systemen unterschieden. Statische Konzentratoren werden wie übliche Flachkollektoren fest montiert, haben aber bauartbedingt nur ein Konzentrationsverhältnis, das mit zunehmendem Akzeptanzwinkel der Strahlung abnimmt. Durch den großen Akzeptanzwinkel ist jedoch eine begrenzte Nutzung des diffusen Lichtes möglich. Typisch liegt das Konzentrationsverhältnis bei eindimensionalen statischen Konzentratoren nicht über 2. Daher sind Platzbedarf und Herstellungsaufwand sind ziemlich hoch bezogen auf den Konzentrationsfaktor.

Nachgeführte Systeme erreichen leicht Konzentrationsfaktoren von über 100, allerdings ist hierfür eine sehr aufwändige Mechanik und Steuerung nötig. Dieses gilt vor allem für zweiachsig nachgeführte Systeme, so dass die Entwicklung sich

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hauptsächlich auf große Anlagen beschränkt. Durch die hohe Windlast ist eine stabile Abstützung erforderlich, so dass nachgeführte Konzentratoren typisch einen deutlichen Flächenbedarf haben; eine Integration in Gebäuden ist kaum möglich. Weiter können hochkonzentrierende Systeme die diffuse Strahlung nicht nutzen und eignen sich somit hauptsächlich für sonnige Klimazonen. Prinzipiell könnten nachgeführte Systeme mit höherem Akzeptanzwinkel entworfen werden, um diffuses Licht zu nutzen. Allerdings verringert sich dann das Konzentrationsverhältnis und somit die Ausnutzung der direkten Strahlung. Hierdurch steigt der relative Mehraufwand für die Nachführung und die Fixierung.

Somit liegt für kleine bis mittlere Systeme vor allem in wolkigeren Klimazonen das Problem zugrunde, dass klassische nachgeführte Konzentratoren einen sehr hohen Aufwand für die Nachführung und Fixierung benötigen, statische Konzentratoren jedoch zu niedrige Konzentrationsverhältnisse erreichen.

Die vorliegende Erfindung des semi-statischen Konzentrators nach Anspruch 1 schafft einen für kleine bis mittlere Systeme optimalen Kompromiss zwischen der erzielbaren Leistung, dem Aufwand für Herstellung und Nachführung und dem Flächenbedarf.
Das Grundelement des Konzentrators ist ein statischer, fest montierter Spiegel wie in Abbildung 1, Element (1), gezeigt. Die Länge des Spiegels hat keine theoretische Obergrenze, sondern wird durch die praktisch handhabbare Länge begrenzt. Bei ausreichender Länge, die auch durch Aneinanderreihung von mehreren Einheiten erreicht werden kann, wird die Winkelabhängigkeit in Rinnenrichtung sowohl für direkte als auch für diffuse Strahlung minimiert. Der Absorber mit den Solarzellen (2) ist beispielsweise auf Führungsschienen (3) parallel zur Brennebene verschiebbar. Dadurch wird die Fokussierung auf die Absorberfläche erreicht. Durch die deutlich vereinfachte Mechanik sowie die kleinere Windlast kann der Konzentrator sehr viel wirtschaftlicher hergestellt und betrieben werden als das bei bisherigen Bauformen der Fall ist. Eine Krümmung der Absorberbahn beziehungsweise eine gleichzeitige Drehung des Absorbers kann den Wirkungsgrad noch weiter verbessern.

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Zwei typische Strahlengänge der reflektierten Strahlung sind in Abbildung 2 gezeigt. Die linke Abbildung zeigt den senkrechten Einfall der Strahlung. Element (1) ist wieder der statische Spiegel, der Absorber (2) ist unterhalb der Brennebene (3) angeordnet, um einen großen Akzeptanzwinkel und eine gleichmäßige Ausleuchtung der Absorberfläche zu gewährleisten. Die rechte Abbildung zeigt den Absorber in verschobener Stellung, wodurch der Einfallswinkel der akzeptierten Strahlung auf ca. 20° verschoben wird.

Gegenüber vollständig nachgeführten Systemen tritt mit zunehmendem Einfallswinkel ein Rückgang des Konzentrationsverhältnisses auf. Dieser Rückgang nimmt mit steigendem Konzentrationsverhältnis zu, so dass die semi-statische Anordnung für sehr hohe Konzentrationsverhältnisse weniger geeignet ist. Gleichzeitig nimmt jedoch der Akzeptanzwinkel zu, so dass diffuse Stahlung je nach Absorberstellung unterschiedlich effizient genutzt wird.

Der Spiegel kann fest auf einem Gebäude montiert werden, er kann sogar aufgrund der statischen Montage einen Teil des Daches ersetzen, was wiederum einen Kostenvorteil darstellt.

Da die erzielbare Leistung von Solarzellen mit steigender Temperatur sinkt, ist für diesen Konzentratortyp für eine ausreichende Kühlung des Absorbers zu sorgen. Es kann sich sowohl um einen Kühlkörper handeln als auch um eine aktive Kühlung, bei der der Absorber durch ein vorbeifließendes Kühlmittel gekühlt wird. Die aktive Kühlung hat gleichzeitig den Vorteil, dass die aufgenommene Wärme beispielsweise für Heizzwecke zusätzlich genutzt werden kann.

Besteht der Absorber nach Anspruch 2 aus zweiseitigen (englisch: bifacial) Solarzellen, wird zusätzlich zu der vom Spiegel reflektierten Strahlung die gesamte direkt einfallende Strahlung genutzt. Die Strahlwege sind in Abbildung 2 mit (4) angedeutet. Hierdurch ergibt sich eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades, vor allem für diffuse Strahlung. Die Verwendung von zweiseitigen Solarzellen ist bereits in US 5 538 563 und in DE 37 41 485 C2 erwähnt. In letzterer ist sogar die Verwendung von zweiseitigen Solarzellen in Verbindung mit rinnenförmigen Spiegeln erwähnt,

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allerdings dienen die Spiegel, wie auch im erwähnten US-Patent, ausschließlich der Strahlumlenkung und nicht der Konzentration.

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Claims

1. Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenlicht, dadurch gekennzeichnet, dass der abbildende Teil der Anlage eine statisch montierte Spiegelrinne ist, die vorzugsweise parabolförmig ausgeführt ist. Der photovoltaische Absorber wird einachsig nachgeführt, wobei die durchschnittliche Konzentration zwischen 3 und 10 liegt und der Akzeptanzwinkel größer als 5° ist. Die Absorberbahn ist hauptsächlich parallel zu Brennebene, kann aber auch gekrümmt sein.

2. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber zweiseitige (englisch: bifacial) Solarzellen enthält.