DE3937019A1

DE3937019A1 - Kompaktvariables photovoltaikkraftwerk

Info

Publication number: DE3937019A1
Application number: DE3937019A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: ZEHE JOSEF
Current assignee: ZEHE JOSEF
Priority date: 1989-11-07
Filing date: 1989-11-07
Publication date: 1990-10-11
Also published as: DE3937019C2

Description

Die Erfindung betrifft ein kompaktvariables Photovoltaikkraftwerk, das mit einem multimodularen Sonnenlichtsensor- und Solarzellensystem und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten gattungsbestimmenden Merkmalen, ausgerüstet ist.

Das photovoltaische Prinzip der direkten Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität und ihre technischen Vorteile von der dezentralen An wendungsmöglichkeit, des einfachen modularen Aufbaus, bis zum auto matischen und wartungsfreien Betrieb einer Solaranlage, ist durch Fach literatur und nicht zuletzt durch den Bau zweier Solaranlagen bestens dokumentiert, so z. B. die drei Baustufen der Solaranlage in Kokern- Gondorf und das Solar-Wasserstoff-Projekt in Neunburg vorm Wald.

Das durch die Linsenoptik der pyramiden- oder kegelstumpfförmigen Licht aufnahmesensormodule transmittierende Licht wird durch die Sammellinse auf eine zweite imaginäre Fläche, die im Zweidrittelbereich der Licht aufnahmesensoren liegt, verstärkt bzw. fokkusiert. Bedingt durch die Fokkusierung des Lichtes ist die für die Anbindung der optischen Faser adern zur Verfügung stehenden Fläche kleiner als die Fläche der Sammel linse. Die Spezifikation der Anbindungsfläche zeigt folgende Wirkungs weise auf:

Die von der Dimensionierung der Lichtaufnahmesensormodulkonstruktion ab hängige und daraus resultierende Anbindungsfläche gibt neben der an bindungsmögliche optischen Faseradernanzahl, die auch die Anzahl der Solarzellenmodule im Vakuummodul ergibt, und damit den Energiemaximierungs faktor bestimmt, auch den Flächenminimierungsfaktor eines kompakt variablen Photovoltaikkraftwerks an. Da die optische Faseraderanzahl von der Anbindungsfläche des Lichtaufnahmesensormoduls resultiert und der Lichttransfer über anbindungsmögliche optische Faseradern erfolgt, ist der Energiemaximierungsfaktor wie folgt zu verstehen:

Die Anbindungsfläche des Lichtaufnahmesensormoduls ist auch der be stimmende Faktor für den multimodularen Solarzellenaufbau und deren Abstrahleinrichtungen innerhalb des Vakuummoduls, das die Solarzellen module absolut vor Umwelteinfluß schützt.

Dazu Beispiele:

Die angenommene Anbindungsfläche eines Lichtaufnahmesensormoduls be trägt 5 cm². Diese Fläche ermöglicht, je nach Querschnittsfläche der jeweiligen verwendeten optischen Faseradern, eine Anbindung von ca. 1500 Stück optische Faseradern, die wiederum bei einer Vakuummodul abmessung von 200 × 100 × 80 cm den Einsatz von ca. 1000 Stück Solarzellen module mit je 10 cm² Flächenbedarf und deren Abstrahleinrichtungen erlauben.

Analog dazu:

Bei 2,5 cm² Anbindungsfläche reduziert sich die Einsatzmöglichkeit der Solarzellenmodule auf ca. 500 Stück.

Die Beispiele zeigen, daß neben den allgemein zu beachtenden Vorschriften, Normen und der Feststellung, daß das interne Verschalten des Solarzellen module im Vakuummodul erst die Leistungsangaben, wie Strom und Spannung ermöglichen - die industrielle, konvektionierte Herstellung als Einheit, - Lichtaufnahmesensormodul/Vakuummodul - die letztlich unter diesen Ge sichtspunkten jedigliche andere Bauliche- bzw. Leistungsvariante er möglichen, das Hauptziel ist.

Die bekannte Solaranlagentechnik ist auf Grund ihrer in den technischen Dokumentationen erläuterten baulichen und funktionellen Eigenschaften mit zumindestens den folgenden Nachteilen behaftet:

Zunächst jedoch die Zielvorstellungsdaten des Solar-Wasserstoff-Projekts in Neunburg vorm Wald, für die 1988 die Grundsteinlegung war. Auf einer Boden fläche von 50 000 m² wird eine 5000 m² große Solarzellenanlage mit einer Leistung von 0,5 MW erstellt. Es wird eine jährliche Stromerzeugung von 500 000 KWh erwartet. Damit sollen rund 100 000 m³ Wasserstoff produziert werden. Wie aus den Daten (5000 m²) Solarzellenfläche bei 0,5 MW Leistung) zu erkennen ist, gehört diese photovoltaische Energieerzeugung, auf Grund ihres enormen Flächenbedarfs, nicht gerade zu den umweltfreundlichen Energieerzeugern.

Charakteristische Nachteile einer Solaranlage sind der enorme Flächenbe darf der Solarzellenfläche bei relativ kleiner Leistung. Der Flächen bedarf, der bei steigender Leistungsabgabe ins Gigantische ansteigt, ist aus ökologischer und marktwirtschaftlicher Sicht nicht vertretbar.

Es gilt einerseits den großen Flächenbedarf zu minimisieren und andererseits die relativ kleine Leistung zu maximieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kompaktvariables Photovoltaikkraft werk der eingangs genannten Art anzugeben, dessen drastischer Flächen minimisierungs- und Energiemaximierungsfaktor den kurzfristigen äquivalenten Einsatz zu den nach elektrodynamischen Prinzip arbeitenden Kraftwerk, nach marktwirtschaftlichen Gesichtspunkten, in der öffentlichen, privaten Strom versorgung erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1, 2 und 3 genannten Merkmale, gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind verschiedener Art und be stehen insbesondere darin, daß

- bei der Errichtung von kompaktvariablen Photovoltaikkraftwerken im größeren Leistungsbereich keine flächenvernichtende Solarzellen installation mehr nötig ist.
- bedingt durch die kompakte Bauweise, Großanlagen erstellt werden, die mit nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeitenden Kraftwerken, in Leistung, Investitions- und Betriebskosten konkurrieren.
- die konvektionierte Herstellung sämtlicher Anlagenkomponenten möglich ist.
- durch die kompakte Installation der Solarzellenmodule im Vakuummodul die Störanfälligkeit der Solarzellen drastisch reduziert wird, wegen fehlender klimatischer Belastung. Das gleiche gilt für die Verbindungskabel problematik.
- eine drastische Gewichtsreduzierung entsteht, wegen der Unterbringung der Solarzellenmodule im Vakuummodul und durch das Wegfallen sämtlicher gegen Umwelteinflüssen schützenden Beschichtungen, Abdeckungen, elastischer Lagerungen (Glas, Folien usw.) und durch die Verwendung von geeigneten Kunststoffmaterialien bei der Herstellung von Linsenoptik und Fokuskörper der Lichtaufnahmesensormodule.
- da das Vakuummodul die Solarzellenmodule von allen Umwelteinflüssen ab schirmt, also Laborbedingungen schafft, ist der Einsatz von allen zu künftigen Neuentwicklungen auf dem Solarzellensektor, wie z. B. mit höheren Wirkungsgrad (31% bisher nur im Labor erreicht), im Vakuummodul technisch leichter realisierbar.
- das kompaktvariable Photovoltaikkraftwerk für die zukünftigen Weltraum pläne (hinsichtlich Weltraumstationen-Satelitentechnik bzw. Raumgleiter) als autarke Energieversorgungskomponenten (ohne fußballfeldgroße Solar zellenpaddel) mehr als nur einen konstruktiven Beitrag leistet. Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht, gerade in der Weltraumtechnik mit all ihren technischen und finanziellen Problemen, neben der Reduzierung der technischen Risiken auch eine Transportkostensenkung. Die Transportkosten in dem geostationären Raum betragen 25 000 Dollar/kg! In diesem Zusammen hang ist ein Hinweis auf das Versagen des Kommunikationssateliten im Jahr 1988 angebracht. Dem Dilemma des technischen Versagens kommt ein Verlust von einigen hundert Millionen DM noch hinzu.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung der Anlagenkomponenten anhand der Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kompakt variablen Photovoltaikkraftwerks über das Zusammenwirken von Lichtaufnahme sensor und Solarzellenmodule,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kompakt variablen Photovoltaikkraftwerk, zeigt den schematischen Aufbau der Vakuummodulkomponente, die den mechanischen Aufbau der Solarzellenmodule und deren Abstrahleinrichtung beinhaltet,

Fig. 3 ein letztes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kompakt variablen Photovoltaikkraftwerk, gibt den multimodularen Aufbau be züglich des Flächenminimisierungs- und Energiemaximierungsfaktor an.

In der Fig. 1, auf deren Einzelheiten ausdrücklich hingewiesen sein, wird im wesentlichen das Prinzip des kompaktvariablen Photovoltaikkraftwerks dargestellt, das in seinen Hauptbestandteilen aus den Lichtaufnahmesensor modul 2, den optischen Faseradern 4 und den im Vakuummodul befindlichen 15 Solarzellenmodulen 7 besteht. Der Lichtenergietransfer erfolgt über die Sammellinse 1, die die Lichtenergie verstärkt an die an der Anbindungs fläche 3 angeschweißten optischen Faserleitungen 4 fokussiert, welche die Lichtenergie ohne große Verluste über die Abstrahleinrichtungen 6 an die Solarzellenmodule 7, die aus je 4 Solarzellen mit insgesamt 10 cm² Flächen bestehen und deren Installation im Vakuummodul erfolgt, weitergibt.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Aufführungsbeispiel eines kompaktvariablen Photovoltaikkraftwerks, auf dessen Einzelheiten ausdrücklich Bezug genommen sei, deren schematische Darstellung des Vakuummoduls 1 mit der vakuum dichten Einführung 7 des optischen Faseradernkanals 2, dessen Verlauf 6 zu den aus vier Stück Solarzellen 5 bestehenden Solarzellenmodule 4, die je nach Leistungsbilanz des Vakuummoduls zu größeren Solarzellen modulen 3 integriert werden. Damit ist die multimodulare Struktur des Vakuummoduls, das in seiner Gesamtheit die Solarzellenmodule gegen Umwelt einflüsse bestens schützt, deren Stromabnahme 8 selbstverständlich über eine vakuumdichte Durchführung 9, über Steckeinrichtungen 10, er folgt, im wesentlichen klar.

Das in der Fig. 3, auf deren Einzelheiten ausdrücklich Bezug genommen sei, dargestellte weitere Ausführungsbeispiele des kompaktvariablen Photovoltaik kraftwerks, zeigt den multimodularen Charakter und die Konvektionierung der Komponenten, der in einer sonnenaufgeführten Parabolschüssel 1 in tegrierten Lichtaufnahmesensormodule 2, der optischen Faseradernkabel 3 und den Vakuummodule 4 an.

Kompaktvariables Photovoltaikkraftwerk

Die prinzipiellen Nachteile der Photovoltaiktechnologie, nämlich der des hohen Solarzellenflächenbedarfs und der damit verbundenen ökologischen, klimatischen, mechanischen, elektrischen Leitungsproblematik und der relativ kleinen Leistung, haben zusammen den Einsatz dieser Technologie auf experimentelle Anlagen beschränkt. Eine (Input-Output-Analyse) Flächen einsatz-Leistungsbilanz-Analyse beider Anwendungstechnologien ergibt sich aus dem Vergleich des experimentellen Solar-Wasserstoff-Projekts in Neun burg vorm Wald, das mit einem Flächeneinsatz von 5000 m² Solarzellen fläche eine Leistungsbilanz von 0,5 MW Leistung ermöglicht und dem kompakt variablen Photovoltaikkraftwerk dieser Erfindung, das unter Ausschaltung sämtlicher, oben erläuterten, prinzipiellen Nachteile, bei einer aus der Anbindungsfläche der Lichtaufnahmesensormodule resultierenden Flächen minimierungsfaktor von 500, den Flächeneinsatz (der in der sonnenlaufge führten Parabolschüssel integrierten Lichtaufnahmesensormodule) bei gleicher Leistungsbilanz von 0,5 MW, auf 10 m² reduziert, dessen Multiplikation den Energiemaximierungsfaktor ergibt.

Angesichts dieser Entwicklung ist die Einschätzung der wissenschaftlichen Institute, daß das zusätzliche wirtschaftliche ausschöpfbare Potential der erneuerbaren Energien, mittels der Photorvoltaiktechnologie auch auf ab sehbare Zeit begrenzt ist, nicht mehr aufrechtzuerhalten. Mit dieser Erfindung wird in der Photovoltaiktechnologie eine gegenläufige Entwicklung eingeleitet, in der visionäre, technische Machbarkeit zur Realität wird.

Claims

1. Kompaktvariables Photovoltaikkraftwerk, das mit einem multimodularen Sonnenlichtsensor- und Solarzellensystem ausgerüstet ist, dessen Ver bindung aus optischen Faseradern besteht, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

A. Lichtaufnahmesensormodule die das Sonnenlicht über Linsenoptik ver stärkt bzw. fokussiert an die optischen Faseradern weitergeben und deren Integration, in jeder Menge, in einer sonnenlaufgeführten Parabolschüssel möglich ist,
B. optische Faseradern die die Verbindung zwischen Sonnenlichtsensoren und Solarzellensystem herstellt,
C. das Vakuummodul als Basis für die Unterbringung der Solarzellen systeme dient.

2. Kompaktvariables Photovoltaikkraftwerk, nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das durch die pyramiden- oder kegelstumpfförmige Linsenoptik transmittierende Licht verstärkt bzw. fokussiert an die anhängenden angeschweißten optischen Faseradern weitergegeben wird. Entscheidender Flächenminimisierungsfaktor.

3. Kompaktvariables Photovoltaikkraftwerk, nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Vakuummodul als Basis für die Integration der Solarzellenmodule und deren elektrischen Regel- und Lichtabstrahlein richtungen dient. - Entscheidender Energiemaximierungsfaktor - des weiteren die Solarzellenmodule gegen jedigliche Umweltbelastung ab kapselt, da auch die Stromentnahme über vakuumdichte Verschraubungen erfolgt.