DE4016665A1 - Fotozellenanordnung zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fotozellenanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem optischen Element mit Linsencharakteristik, das das einfallende Licht auf die diesem zugeordnete Fotozelle mit kleinerer Fläche konzentriert.

Solarenergie läßt sich durch Fotozellen auf Siliciumbasis in elektrische Energie umwandeln. Enthalten die Fotozellen kristallines Silicium, läßt sich etwa 10 Prozent der einfallenden Lichtenergie in elektrische Energie umsetzen. Der Wirkungsgrad der Solarenergieausbeutung läßt sich verbessern, wenn die Fotozellen amorphes Silicium in bestimmter Verteilung enthalten. Derartige Fotozellen sprechen unterschiedlich auf das spektrale Licht an, so daß sich bei einer entsprechenden Spektralaufteilung und Beauf­ schlagung der Fotozellen eine Wirkungsgradsteigerung bis etwa 20 Prozent erreichen läßt.

Bei Solarkraftwerken mit Fotozellen als Energieelementen sind die Fotozellen auf Siliciumbasis die teuersten Komponenten. Werden zur Konzentration des Lichts optische Elemente eingesetzt, würde dies zwar zu einem gewissen Verlust der an sich möglichen Energieausbeute, der etwa im Bereich von 20 Prozent liegt, aber durch die geringeren Investitionskosten für die Fotozellen ausgeglichen werden kann.

Um die mit Fotozellen zu bedeckenden Flächen zu verringern, kann ein Konzentrationsverhältnis von 1 : 2 und bis etwa 1 : 4 gewählt werden, weil bei höherer Konzentration zu viel Wärme entsteht, die die Lebensdauer der Fotozellen stark herabsetzt. Höhere Konzentrationen sind eventuell bei Fotozellen aus anderen Materialien oder bei anderer Materialanordnung möglich.

Eine Fotozellenanordnung der eingangs angegebenen Art ist aus der US-PS 42 04 881 bekannt. Aus dieser Veröffent­ lichung ist auch das Prinzip und die Theorie der Konzentration des einfallenden Lichts mit Hilfe von optischen Elementen auf Flächen kleinere Fotozellen und die Beaufschlagung von auf Licht unterschiedlicher Wellenlängen ansprechende Fotozellen mit entsprechend spektral zerlegtem Licht bekannt, so daß auch insoweit auf diese Veröffent­ lichung verwiesen werden kann.

Die US-PS 42 04 881 offenbart darüber hinaus außerordent­ lich raumaufwendige und schwer zu justierende Fotozellen­ anordnungen, so daß es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Fotozellenanordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die sich mit verringertem Aufwand in wirtschaftlicher Weise herstellen läßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Fotozellen­ anordnung der gattungsgemäßen Art nach einem ersten Vorschlag dadurch gelöst, daß mehrere optische Elemente auf einem Träger derart nebeneinander angeordnet sind, daß sie einen Ring mit die optischen Elemente enthaltenden Sektoren bilden, und daß in einer parallelen Ebene zu den optischen Elementen, deren Abstand von diesen durch die dem gewählten Konzentrationfaktor entsprechende Brennweite bestimmt ist, Fotozellen auf einem Träger angeordnet sind. Diese Anordnung ist insofern einfach, als sie aus zwei parallel zueinander angeordneten Trägern besteht, wobei zweckmäßiger­ weise beide Träger Platten aus transparentem Material, vorzugsweise Glas sind.

Zweckmäßigerweise sind die Fotozellen in dem Feld der parallelen Ebene angeordnet, das in senkrechter Projektion von den ringförmig angeordneten optischen Elementen eingefaßt wird. Diese Anordnung hat zusätzlich den Vorteil, daß das durch den Raum zwischen den ringförmig angeordneten optischen Elementen einfallende Licht unmittelbar auf die Fotozellen trifft und zusätzlich benutzt werden kann.

Die Anordnung der optischen Elemente und der Fotozellen in zwei zueinander parallelen Ebenen auf entsprechenden Trägern führt zwar zu einer baulichen Vereinfachung bekannter Fotozellenanordnungen, ist aber wegen des erforderlichen Zweiplattenaufbaus immer noch aufwendig und wegen der notwendigen Justierung der beiden Platten zueinander schwierig herzustellen. Nach einer weiteren bevorzugten Lösung der gestellten Aufgabe ist daher vorgesehen, daß ein plattenförmiger Träger aus transparentem Material auf seiner in Richtung des einfallenden Lichts gesehenen hinteren Seite mit mehreren ringförmig angeordneten reflektierenden optischen Elementen versehen ist, daß die diesen zugeordneten Fotozellen auf der hinteren Seite des Trägers in der von den ringförmig angeordneten optischen Elementen eingefaßten Fläche angeordnet sind und daß die optischen Elemente das im wesentlichen senkrecht einfallende Licht unter einem so großen Winkel reflektieren, daß an der Vorderseite des Trägers Totalreflektion eintritt und das Licht mit dem der Linsencharakteristik entsprechenden Konzentrations­ verhältnis auf die Fotozellen reflektiert wird. Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fotozellenanordnung weist den großen Vorteil auf, daß sie nur aus einer einzigen Trägerplatte besteht, so daß die Anorndnung nicht nur wesentlich leichter und raumsparender ist, sondern darüber hinaus sich auch leicht in der Weise justieren läßt, daß die optischen Elemente mit hohem Genauigkeitsgrad die diesen zugeordneten Fotozellen mit dem konzentrierten Licht beaufschlagen. Bei dieser Anordnung darf nun an der hinteren Seite der Trägerplatte nicht wiederum Totalreflektion auftreten, da der hier auftreffende konzentrierte Lichtstrahl die Fotozelle beaufschlagen soll. Um dies zu erreichen, wird die Fotozelle mit einem die Totalreflektion aufhebenden Mittel an der Glasscheibe befestigt. Derartige Mittel sind bekannt und bestehen beispielsweise aus entsprechenden Klebern oder Beschichtungen, nämlich Materialien, die einen entsprechenden, beispielsweise dem Glas der Trägerplatte, angepaßten Brechungsindex haben. Diese Art der Anpassung des Brechungsindexes ist unter dem Begriff Indexmatching bekannt und braucht daher hier nicht näher beschrieben werden.

Statt der Mittel zum Indexmatching oder zusätzlich zu diesen kann auch ein entsprechendes Hologramm auf die hintere Seite des Trägers angebracht werden, das die gleiche die Brechung beeinflussende Wirkung hat.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß auf der den reflektierenden optischen Elementen gegenüber­ liegenden Einfallsseite des Trägers transparente optische Elemente in entsprechender Ringform angeordnet sind, die auch diffuses Licht derart brechen, daß dieses im wesentlichen auf die reflektierenden optischen Elemente fällt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für Fotozellen­ anordnungen vorteilhaft, die in Gegenden mit großem diffusen Lichtanteil eingesetzt werden sollen. Der Wirkungsgrad der Fotozellenanordnung kann dadurch beträchtlich gesteigert werden, daß einfallendes diffuses Licht so ausgerichtet wird, daß es im wesentlichen senkrecht auf die reflektierenden optischen Elemente fällt, also wie das Licht, das aus einer direkten Sonneneinstrahlung resultiert.

Nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, daß ein plattenförmiger Träger aus transparentem Material auf seiner Einfallsseite mit ringförmig angeordneten transparenten optischen Elementen versehen ist und in der von diesen eingefaßten Fläche der Einfallsseite die Fotozellen angeordnet sind und daß die optischen Elemente das einfallende Licht unter einem derartigen Winkel brechen, daß es an der hinteren Seite des Trägers total reflektiert wird und mit einer den Charakter der optischen Elemente entsprechenden Konzentration auf die Fotozellen fällt. Diese Anordnung ist im wesentlichen eine Umkehrung der zweiten erfinderischen Ausführungsform, wobei jedoch statt der reflektierenden optischen Elemente transparente optische Elemente vorgesehen sind.

Die hintere Seite des Trägers kann auch verspiegelt sein, so daß größere Freiheit in der Wahl des Reflektionswinkels besteht, da dieser nicht von der Totalreflektion an der Hinterseite der Platte abhängt. Statt einer Verspiegelung kann auf die hintere Seite auch ein Hologramm mit entsprechender Charakteristik aufgebracht werden.

Zweckmäßigerweise bestehen die optischen Elemente aus Fresnelschen Linsen, Lentikularlinsen oder Hologrammen mit Linsencharakteristik. Diese optischen Elemente sind bekannt und brauchen daher hier nicht näher beschrieben zu werden.

Die optischen Elemente können auch aus konventionellen Glaslinsen bzw. Linsenpreßlingen bestehen.

Soweit nicht in Transmission, sondern mit Reflektion gearbeitet wird, sind reflektierende optische Elemente mit entsprechenden konzentrierenden Eigenschaften zu wählen.

Die Linsen bestehen zweckmäßigerweise aus Off-Axis-Linsen bzw. entsprechenden optischen und reflektierenden Elementen, die auch zu einer Spektralzerlegung des einfallenden Lichts führen. Wird mit einer Spektral­ zerlegung des Lichts gearbeitet, werden zur Erhöhung des Wirkungsgrades Fotozellen eingesetzt, die bei unter­ schiedlichem Spektralanteil die höchste Energieausbeute bieten und daher zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades führen.

Zweckmäßigerweise bestehen die Trägerplatten aus Glas. Selbstverständlich kann auch anderes geeignetes Material verwendet werden.

Nach einer erfinderischen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Linsen in den Sektoren eines gleichmäßigen Sechsecks angeordnet sind. Diese sechseckige Ausgestaltung der Fotozellenanordnung erlaubt es, diese dicht an dicht in großer Anzahl wabenförmig anzuordnen, was zu einer optimalen Energieausbeute pro Flächeneinheit führt. Es können auch Ausführungen mit quadratischen oder dreieckigen Feldern gewählt werden, die ebenfalls eine vollständige Flächenbedeckung gestatten.

Entsprechend sind auch die Fotozellen zweckmäßigerweise durch die Sektoren eines Sechsecks gebildet. In den mittleren Bereichen können sich die Fotozellen in den Sektoren auch überlappen.

Statt der vorteilhaften sechseckigen Ausgestaltung der Fotozellenanordnung kann diese auch jede andere geeignete Form aufweisen, die dichte Packungen in der Fläche gestattet.

Bei allen Ausführungsformen der Erfindung werden die Foto­ zellen nicht nur von durch die optischen Elemente konzentriertem Licht beaufschlagt, sondern auch unmittelbar durch das auf diese einfallende Licht, was bei allen Ausführungsformen zu einer Wirkungsgradverbesserung führt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Fotozellenanordnung, bei der die das einfallende Licht konzentrierenden optischen Elemente auf einem ersten Träger und die Fotozellen auf einem zweiten Träger angeordnet sind,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Fotozellenanordnung und die optischen Elemente nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Fotozellenanordnung,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer Fotozellenanordnung und

Fig. 5 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungs­ form einer Fotozellenanorndung.

Bei der anhand der Fig. 1 dargestellten Fotozellenanordnung sind zwei im Abstand parallel zueinander angeordnete Träger­ platten 1, 2 vorgesehen, die durch nicht dargestellte Stege, Bolzen oder andere Tragelemente miteinander verbunden sind. Die Platten 1, 2 befinden sich in zueinander parallelen Ebenen. Die Platte 1 ist dem einfallenden Licht, daß durch die Pfeile A dargestellt ist, zugewandt. Auf ihrer dem einfallenden Licht abgewandten Unterseite ist die Platte 1 mit sechs trapezförmigen Hologrammen H1 bis H6 versehen, die die aus Fig. 2 ersichtliche Trapezform aufweisen und zu einem sechseckigen Ring zusammengesetzt sind. Der aus den trapezförmigen Hologrammfeldern zusammen­ gesetzte Ring faßt eine sechseckige Fläche 4 ein.

Die untere Platte 2 dient als Träger für die Fotozellen 5. Diese sind auf der Rückseite der Platte 2 auf einer sechseckigen Fläche angeordnet, die der senkrechten Projektion der Fläche 4 auf die untere Platte 2 entspricht. Die Fotozellen sind in den dreieckigen Sektoren der sechseckigen Fläche 5 angeordnet.

Die Platten 1 und 2 bestehen aus transparentem Material, beispielsweise Glas.

Die Hologramme H1 bis H6 haben eine derartige Charakteristik, daß sie das Licht in der durch die Strahlen S angedeuteten Weise ablenken und auf den dreieckigen Fotozellen des Fotozellenfeldes 4 konzentrieren. Durch das sechseckige freie Feld 4 der oberen Platte 1 fällt das Licht, wie durch den Strahl S1 angedeutet, auch direkt auf die Fotozellen des Feldes 5.

Die Fotozellenanordnung nach Fig. 3 besteht nur aus einer Trägerplatte 10 aus transparentem Material, beispielsweise Glas. Auf der Rückseite der Platte 10 ist ein aus sechs trapezförmigen Feldern gebildeter sechseckiger Ring aus reflektierenden Hologrammen 11 angeordnet, deren Konfi­ guration der aus Fig. 2 ersichtlichen entspricht. Zwischen diesem Ring aus reflektierenden Hologrammen 11 ist wiederum ein sechseckiges Feld vorgesehen, in dem die Fotozellen 12 in entsprechender Weise wie die Fotozellen 5 in Fig. 1 angeordnet sind.

Die Hologramme 11 reflektieren die einfallenden Lichtstrahlen A in der Weise, daß sie unter einem Winkel auf die Oberseite der Trägerplatte 10 auftreffen, daß Total­ reflektion eintritt und die zweimal reflektierten Strahlen S2 in konzentrierter Form auf die Fotozellenfelder 12 auftreffen. In dem von den Hologrammen 11 eingefaßten sechseckigen Feld, in dem die Fotozellen 12 angeordnet sind, fallen die Strahlen S1 direkt ein.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem nach Fig. 3 im wesentlichen nur dadurch, daß auch die der Einfallsseite des Lichts zugewandte Seite der Platte 10 deckungsgleich mit den verspiegelten Hologrammen 11 der Unterseite auf ihre Oberseite mit trapezförmigen Hologrammen 16 versehen ist, die wiederum einen rechteckigen Ring mit der aus Fig. 2 ersichtlichen Form bilden. Bei den Hologrammen 16 handelt es sich um transparente Hologramme, die das einfallende diffuse Licht D in der Weise ablenken, daß es senkrecht auf die unteren verspiegelten Hologramme fällt. Von diesen wird es in der anhand der Fig. 3 erläuterten Weise durch Totalreflektion an der Plattenoberseite auf die Fotozellenanordnung 12 abgelenkt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 läßt sich als Umkehrung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 auffassen. Statt der verspiegelten Hologramme 11 auf der Plattenrückseite sind auf der Einfallsseite der Platte 10 transparente Hologramme 18 in einer der aus Fig. 2 ersichtlichen Konfiguration angeordnet. Die Hologramme 18 brechen das Licht in der Weise, daß es an der Plattenunterseite total reflektiert und anschließend in konzentrierter Form auf die Fotozellen­ anordnung 19 reflektiert wird.

Statt einer Totalreflektion an der Plattenunterseite kann diese auch verspiegelt oder mit Hologrammen belegt sein, die die gewünschte Reflektion bewirken.

Claims (15)

1. Fotozellenanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem optischen Element mit Linsencharakteristik, das das einfallende Licht auf die diesem zugeordnete Fotozelle mit kleinerer Fläche konzentriert, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere optische Elemente auf einem Träger derart nebeneinander angeordnet sind, daß sie einen Ring mit die optischen Elemente enthaltenden Sektoren bilden, und daß in einer parallelen Ebene zu den optischen Elementen, deren Abstand von diesen durch die dem gewählten Konzentrationsfaktor entsprechenden Brenn­ weite der optischen Elemente bestimmt ist, die Fotozellen auf einem Träger angeordnet sind.

2. Fotozellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fotozellen in demjenigen Feld der parallelen Ebene angeordnet sind, das in senkrechter Projektion von den ringförmig angeordneten optischen Elementen eingefaßt ist.

3. Fotozellenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmiger Träger aus transparentem Material auf seiner in Richtung des einfallenden Lichts gesehenen hinteren Seite mit mehreren ringförmig angeordneten reflektierenden optischen Elementen versehen ist, die diesen zugeordnete Fotozellen auf der hinteren Seite des Trägers in der von den ringförmig angeordneten optischen Elementen eingefaßten Fläche angeordnet sind, und daß die optischen Elemente das im wesentlichen senkrecht einfallende Licht unter einem so großen Winkel reflektieren, daß an der Vorderseite des Trägers Totalreflektion eintritt und das Licht mit dem der Linsencharakteristik entsprechenden Konzentrations­ verhältnis auf die Fotozellen reflektiert wird.

4. Fotozellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem den reflektierenden optischen Elementen gegenüberliegenden Einfallsseite des Trägers transparente optische Elemente in entsprechender Ringform angeordnet sind, die auch diffuses Licht derart brechen, daß dieses im wesentlichen senkrecht auf die reflektierenden optischen Elemente fällt.

5. Fotozellenanordnung nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmiger Träger aus transparentem Material auf seiner Einfallsseite mit ringförmig angeordneten transparenten optischen Elementen versehen ist und in der von diesen eingefaßten Fläche der Einfallsseite die Fotozellen angeordnet sind und daß die optischen Elemente das einfallende Licht unter einem derartigen Winkel brechen, daß es an der hinteren Seite des Trägers total reflektiert wird und mit einer dem Charakter der optischen Elemente entsprechenden Konzentration auf die Fotozellen fällt.

6. Fotozellenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Seite des Trägers verspiegelt ist.

7. Fotozellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente aus Fresnelschen Linsen, Lentikularlinsen oder Hologrammen mit Linsencharakter bestehen.

8. Fotozellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Elemente aus konventionellen Glaslinsen bzw. Linsenpreßlingen bestehen.

9. Fotozellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen Off-Axis-Linsen sind.

10. Fotozellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozellen auf Weißlicht und/oder einfarbiges Licht ansprechen.

11. Fotozellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger­ platten aus Glas bestehen.

12. Fotozellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente in den Sektoren eines gleichmäßigen Sechsecks, eines Quadrats oder eines Dreiecks angeordnet sind.

13. Fotozellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sechsecke mit einem sechseckigen freien inneren Feld versehen sind.

14. Fotozellenanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozellen durch die Sektoren eines Sechsecks gebildet sind.

15. Fotozellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozellen­ anordnung mehrfach in Wabenform vorgesehen ist.