DE20314372U1

DE20314372U1 - Sonnenkonzentrator für lichtbündelnde Photovoltaic-Anlagen

Info

Publication number: DE20314372U1
Application number: DE20314372U
Authority: DE
Original assignee: Day4 Energy Inc
Current assignee: Day4 Energy Inc
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2013-09-17

Abstract

Sonnenkonzentrator für lichtbündelnde Photovoltaik PV-Anlagen, mit einem das Sonnenlicht auf eine Reihe von hintereinander angeordneten PV-Modulen oder PV-Zellen (8) bündelnden, langgestreckten Spiegel, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel aus mehreren flachen Spiegeln (5) besteht, die auf einem quer zur Längserstreckung des Spiegels eine Parabelform nachbildenden Träger (3) befestigt sind und das Sonnenlicht auf die PV-Module oder PV-Zellen (8) reflektieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkonzentrator für lichtbündelnde Photovoltaic-Anlagen, mit einem das Sonnenlicht auf eine Reihe von hintereinander angeordneten PV-Modulen bündelnden, langgestreckten Spiegel.
Es sind bereits eine ganze Reihe von photovoltaischen (PV) Hochleistungsanlagen bekannt (s. z. B. G. Sala et al.: The EUCLIDES Prototype: An efficient parabolic trough for PV Concentration; http://www.users.globalnet.co.uk/~blootl/trackers/eucl.htm) bei denen das Sonnenlicht mittels eines langgestreckten Parabolspiegels oder eines Fresnel-Linsensystems auf die lichtempfindlichen Flächen einer großen Anzahl in einer Reihe hintereinander angeordneter PV-Module konzentriert oder fokussiert wird. Bei derartigen Anlagen ist es notwendig, den Parabolspiegel oder das Linsensystem dem tages- und jahreszeitlich veränderlichen Sonnenstand nachzuführen.
Die bekannten photovoltaischen Hochleistungsanlagen bieten wegen der guten Ausnutzung des Sonnenlichts einen beachtlichen Wirkungsgrad. Sie haben allerdings auch eine Reihe von Nachteilen. So muss der Parabolspiegel mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, die herkömmlichen PV-Module haben im allgemeinen nur eine geringe Breite, so dass das Nachführungssystem, das den Spiegel oder das Linsensystem auf die Sonne ausrichtet, mit sehr hoher Genauigkeit, d. h. mit einem Winkelfehler von höchstens α = ± 0,1 ° arbeiten muss. Das Nachführungssystem ist demgemäss entsprechend teuer. Fernerhin wird Streulicht nur mit schlechtem Wirkungsgrad aufgenommen.
Flache Spiegel sind zwar weniger teuer, können aber herkömmliche Parabolspiegel und Linsensysteme nicht ersetzen, hauptsächlich, weil die geringe Breite der PV-Module flache Spiegel unwirtschaftlich wenn nicht sinnlos macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kosten bekannter Photovoltaic-Anlagen und die Präzisions-Anforderungen bekannter PV-Anlagen zu senken und die Ausnutzung gestreuter Solarstrahlung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Spiegel aus mehreren flachen Spiegeln zusammengesetzt ist, die auf einem quer zur Längserstreckung des Spiegels eine Parabelform nachbildenden Träger befestigt sind und das Sonnenlicht auf die PV-Module reflektieren. Anders ausgedrückt: Die flachen Spiegel liegen (im Querschnitt quer zu ihrer Längserstreckung) einer Parabellinie folgend nebeneinander.
Die Breite der flachen Spiegel entspricht etwa der Breite der PV-Modul-Reihe. Dabei können besonders breite PV-Module verwendet oder rechteckige Module quer zur Längserstreckung der PV-Modul-Reihe angeordnet werden. Auch ist es möglich, über die ganze Reihe hinweg mehrere Module nebeneinander anzuordnen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die PV-Module Rücken an Rücken zueinander und zwei Gruppen von Spiegeln so angeordnet, dass sie das Licht auf den einen oder anderen PV-Modul reflektieren. Hierbei können die Spiegel bevorzugt in zwei parallel zueinander verlaufenden Flügeln auf dem Träger befestigt sein.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen PV-Anlage erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Fokussiersystems, dessen Solarkonzentrator aus flachen Spiegeln aufgebaut ist,
2A , 2B eine Einzelheit der 1 in zwei Ausführungsformen,
3A, 3B, 3C verschiedene Arten der Anordnung der PV-Module in der Reihe und
4 einen schematischen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen PV-Anlage.
Gemäß 1 ist an einem Fuß 1 ist mittels eines Gelenks 2 ein Träger 3 in Form eines Rahmens befestigt, dessen Oberseite aus schmalen Segmenten besteht, die jeweils unter einem geringen Winkel zueinander angeordnet sind und in ihrer Gesamtheit den Verlauf einer Parabel annähern oder nachbilden. Auf den Segmenten 4 ist je ein flacher Spiegel 5 befestigt. Die nebeneinander angeordneten Spiegel bilden zwei getrennte Gruppen oder Flügel, die in einem Abstand von einander liegen. Grundsätzlich würde ein einziger Flügel ausreichen. An den äußeren Enden des Trägers 3 ist je eine Haltestange 6 angebracht, deren obere Enden durch eine Platte 7 miteinander verbunden sind, die sich über die gesamte Länge des Sonnenkonzentrators erstreckt. An der dem Sonnenkonzentrator und dessen Spiegeln 5 zugewandten Unterseite der Platte 7 sind PV-Module 8 befestigt (aufgeklebt oder mittels einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt aufgelötet). Der Abstand zwischen den beiden Flügeln entspricht der Breite des von der Platte7 und den PV-Moduln abgeschatteten Bereichs. Über die Länge einer erfindungsgemäßen PV-Anlage sind mehrere der in 1 gezeigten Anordnungen verteilt; die flachen Spiegel 5 und die Platte 7 mit den daran befestigten PV-Moduln 8 erstrecken sich über die gesamte Länge der Anlage.
2A und 2B zeigen in Einzelheit zwei Befestigungsarten der Platten 7 an den Haltestangen 6: in 2A sind die Platten 7 mittels Federklammern 9 und in der Ausführungsform der 2B mittels Bolzen 10 an den Haltestangen 6 befestigt.
Bei dem gezeigten Aufbau können einzelne PV-Module 8 leicht und unkompliziert demontiert und ausgewechselt werden. Hierdurch lässt sich auf wirtschaftliche Weise eine langdauernde hohe Effektivität der Umwandlung von Licht in elektrische Energie erzielen. Auch die flachen Spiegel 5 lassen sich einzeln auswechseln, so dass der Spiegel im Falle einer Beschädigung nicht wie bei den herkömmlichen Parabolspiegeln in seiner Gesamtheit ausgewechselt werden muss.
Im Betrieb fallen die Sonnenstrahlen 11 auf die flachen Spiegel 5 und werden von diesen auf die PV-Module reflektiert, die dann das einfallende Licht in elektrische Energie umwandeln. Die an die PV-Module angeschlossene elektrische Schaltung (Wechselrichter usw.) zur Umwandlung und Weiterleitung der elektrischen Energie ist nicht gezeigt. Mit Hilfe eines Nachführungssystems lassen sich die hintereinander angeordneten Träger 3 mit ihrem ganzen Aufbau um das zugehörige Gelenk 2 verschwenken, so dass das Sonnenlicht über den Tag stets optimal genutzt wird. Ebenso wie bei bekannten Anlagen lässt sich die Anordnung auch um ihre anderen Achsen verschwenken, so dass ihre Lage der auch den jahreszeitlichen Veränderungen des Sonnenstandes folgen kann.
Eine Analyse des erfindungsgemäßen Sonnenkonzentrators zeigt, dass durch die Verwendung relativ breiter flacher Spiegel 5 in Kombination mit entsprechend breiten PV-Moduln die Anforderungen an die Genauigkeit des Nachführungssystems verringert werden und Streulicht wesentlich besser genutzt wird:
Um die Solarstrahlung während des ganzen Tages maximal zu nutzen, muss der Konzentrator mit einer bestimmten Genauigkeit dem Sonnenstand folgen, weil sonst die Lichtstrahlen die Brennebene verfehlen, in der sich der PV-Modul 8 befindet. Beträgt der Abstand zwischen den flachen Spiegeln 5 und dem PV-Modul 8, wie bei herkömmlichen PV-Konzentratoren üblich, 100 cm, und beträgt der Ausrichtungsfehler des Sonnenkonzentrators auf die Sonne α = ± 1°, so verschiebt sich der reflektierte Lichtstrahl um 1,7 cm aus der mittleren Lage auf dem PV-Modul. Ist die PV-Modul-Reihe nur 2,5 cm breit, so resultiert eine Ungenauigkeit von α = ± 1 ° darin, dass nur 32 % der Oberfläche der Module 8 angestrahlt werden und an der Lichtumwandlung teilnehmen. Dies ist der Grund, warum alle bekannten Sonnenkonzentratorsysteme mit schmalen PV-Moduln mit einer Breite von 2 bis 4 cm Nachführungssysteme haben müssen, deren Genauigkeit α = ± 0,1 ° oder besser ist. Sind aber die PV-Module 10 cm breit, so wird bei einem Ausrichtungsfehler α = ± 1 ° fast die ganze Oberfläche eines PV-Moduls, nämlich 83 %, angestrahlt. Bei 15 cm breiten PV-Moduln werden fast 90 % der Oberfläche angestrahlt und zur Lichtumwandlung unter den gleichen Bedingungen genutzt. Selbst bei einem Ausrichtungsfehler α = ± 7° werden noch 20 % der Oberfläche von 15 cm breiten PV-Moduln beleuchtet und zur Energieumwandlung genutzt.
Damit wird erstens deutlich, dass 10 bis 15 cm breite PV-Module wirksam von einfachen flachen Spiegeln entsprechender Breite beleuchtet werden können. Dies macht es zweitens möglich, die Anforderungen an die Genauigkeit des Nachführungssystems zu senken, wodurch dieses weniger kompliziert und billiger wird. Außerdem können die PV-Module bei trübem Wetter das Streulicht besser nutzen, weil auch Lichtstrahlen genutzt werden, die unter relativ hohen Winkeln von bis zu ± 7° auf die flachen Spiegel fallen. Mit anderen Worten, ein Sonnenlicht-Konzentrator mit flachen Spiegeln und entsprechend breiten PV-Moduln nutzt das Sonnenlicht überraschenderweise erheblich besser als herkömmliche Anordnungen mit Parabolspiegeln und PV-Moduln mit geringer Breite. Natürlich gibt es ein Optimum der Breite der PV-Module, da bei einer weiteren Steigerung der Breite die grundsätzlichen Vorteile von PV-Sonnenlicht-Konzentratoren verschwinden würden. Eine rohe Schätzung ergibt einen Wert zwischen 10 bis 20 cm als kosteneffektivste Breite von PV-Moduln.
Wie in den 3A, 3B und 3C gezeigt, lässt sich diese größere Gesamtbreite W auf verschiedenerlei Weise erreichen, entweder durch PV-Module 8 mit entsprechender Breite (3A), durch mehrere schmale, parallel oder nebeneinander angeordnete PV-Module 8 (3B) oder mit rechteckigen, relativ schmalen aber langen PV-Moduln 8, die quer zur Längserstreckung der Reihe angeordnet sind (3C).
4 zeigt einen Sonnenlichtkonzentrator, bei dem die PV-Module 8 Rücken an Rücken vertikal oder, allgemeiner, parallel zum einfallenden Sonnenlicht 11 angeordnet sind. Die links und rechts von der vertikalen Achse angeordneten Flügel aus flachen Spiegeln 5 sind dabei etwas weiter auseinandergerückt, als bei der Ausführungsform der 1, um das Sonnenlicht zur Vermeidung starker Reflexionen an den PV-Moduln 8 unter einem möglichst großen Winkel auf deren Oberfläche zu lenken.

Claims

Sonnenkonzentrator für lichtbündelnde Photovoltaik PV-Anlagen, mit einem das Sonnenlicht auf eine Reihe von hintereinander angeordneten PV-Modulen oder PV-Zellen (8) bündelnden, langgestreckten Spiegel, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel aus mehreren flachen Spiegeln (5) besteht, die auf einem quer zur Längserstreckung des Spiegels eine Parabelform nachbildenden Träger (3) befestigt sind und das Sonnenlicht auf die PV-Module oder PV-Zellen (8) reflektieren.
Sonnenkonzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel in zwei parallel zueinander verlaufenden Flügeln auf dem Träger (3) befestigt sind (1, 4).
Sonnenkonzentrator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PV-Module (8) Rücken an Rücken zueinander und zwei Flügel von Spiegeln so angeordnet sind, dass sie das Licht auf den einen oder anderen PV-Modul (8) reflektieren (4).
Sonnenkonzentrator nach einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der flachen Spiegel (5) etwa der Breite PV-Modul-Reihe entspricht.