DE4040688C2 - Solarzelle zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie - Google Patents

Solarzelle zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie gemäß der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Art. Eine derartige Solarzelle ist aus der WO 79/00845 bekannt.
Bei Solarzellen bedarf es einer bestimmten Grundfläche, um eine gewünschte Absorberfläche zu installieren. Zur Ver­ besserung der Photonenabsorption ist außerdem eine Nachfüh­ rung der Solarzellen in bezug auf den wechselnden Sonnenstand geboten, insbesondere wenn Einrichtungen zum Konzentrieren der Sonnenstrahlen vorgesehen sind, um den Wirkungsgrad der Solarzellen zu erhöhen.
Bekanntlich treten Photonen auf mehrfache Weise mit dem Absorbermaterial einer Solarzelle in Wechselwirkung. Sie wer­ den entweder reflektiert, durchdringen das Material ungehin­ dert, oder sie werden absorbiert, wobei ein Teil der absor­ bierten Energie in elektrische Nutzleistung umgesetzt wird.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab, nämlich zum einen von der pro Flächen­ einheit der Solarzelle eingestrahlten Sonnenenergie und zum anderen von der Temperatur der Solarzelle. Bei einer ebenen Solarzelle ist die pro Flächeneinheit auf diese eingestrahlte Sonnenenergie direkt abhängig vom Winkel gegenüber der Son­ nenstrahlung, wobei die eingestrahlte Energie bei senkrechter Richtung gegenüber der Sonnenstrahlung bekanntlich am größten ist. Was die Temperaturabhängigkeit betrifft, so wird der maximale Wirkungsgrad der Solarzelle in einem Temperaturbe­ reich von etwa 5 bis 10°C erreicht. Im praktischen Gebrauch erwärmt sich eine Solarzelle jedoch üblicherweise auf 60 bis 70°C. Daraus ergibt sich eine Verschlechterung des Wirkungs­ grades, die nur durch Kühlung der Solarzelle ausgeglichen werden kann.
Es ist weiterhin bekannt, Einrichtungen vorzusehen, mit denen auf eine größere Fläche eingestrahlte solare Strahlung auf eine Solarzelle kleinerer Fläche konzentriert wird, wobei die obere Grenze der Konzentration durch das Verhältnis von der Solarstrahlung ausgesetzter Fläche zur Fläche der Solarzelle gegeben ist. Solche konzentrierenden Einrichtungen können durch Spiegelsysteme oder Linsen gebildet sein, die dem je­ weiligen Sonnenstand nachgeführt werden müssen, oder sie können in Form von transparenten Platten vorliegen, an deren stirnseitiger Fläche die Solarzelle angebracht ist, wobei die in die transparente Platte eintretende Strahlung aufgrund von Totalreflexion an den Hauptflächen der Platte unter Konzen­ tration zu den Solarzellen reflektiert wird.
Insbesondere die zuletzt genannte Konzentration durch Totalreflexion stellt die einzige Möglichkeit dar, um den in nördlichen Breiten hohen Anteil an diffuser Strahlung zu konzentrieren und bodenflächenintensive Absorbermaterialanordnungen mit entsprechend teurer Infrastruktur zu vermeiden, da Konzentration mit Spiegelsystemen oder Linsen nur bei direkter Sonnenstrahlung anwendbar ist.
Zum Stand der Technik ist festzustellen, daß aus der WO 79/00845 A1 ein System zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie bekannt ist, welches Strahlung aus allen Raumrichtungen auffangen kann, einen auf einer Kühlflüssigkeit basierenden Kühlmechanismus und Vorrichtungen zur Strahlungskonzentrationen besitzt. Der Nachteil dieser Konfiguration liegt in ihrer hohen Komplexität, dem aktiven, d. h. energieverbrauchenden Kühl­ mechanismus und der konstruktionsbedingten Unmöglichkeit, einem einzelnen Absorberelement Strahlung aus allen Raumrichtungen zuzuführen.
Speichen- bzw. röhrchenförmige Absorberelemente sind z. B. aus den Schriften JP 60-187066 A und JP 53-77189 A bekannt. Beide Schriften beschreiben spezielle Ausführungsformen solcher Absorberelemente und sind daher ihrer geometrischen Ähnlichkeit wegen aufgeführt. Für die vorliegende Erfindung stellen diese Ausführungsformen lediglich zwei von zahlreichen Varianten dar, da jede Ausführungsform eines Vielecks Verwendung finden kann, z. B. auch rechteckige Röhrenquerschnitte. Es ist nicht bekannt, wie man solche Absorberelemente so zu einem System konfigurieren kann, daß ein oder mehrere solcher Absorberelemente in einem einzigen transparenten Stützkörper untergebracht sind, in dem die nicht sofort absorbierte Strahlung aufgrund des Prinzips der Reflexion am optisch dünneren Medium auf ein begrenztes Raumgebiet konzentriert ist und sie gleichzeitig Strahlung aus allen Raumrichtungen aufnehmen können.
Gleiches gilt für die aus der Literatur bekannten, siehe z. B. Laser und Optoelektronik, Nr. 2, 1984, S. 92 und S. 141, transparenten Materialien, die mit eienem fluoreszierenden Farbstoff vermischt sind, um eine Anpassung der einfallenden kurzwelligen Strahlung an die Absorptionscharakteristik des photonenumwandelnden Materials zu ermöglichen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Solarzelle der eingangs genannten Art unter Beseitigung der aufgeführten Nachteile so weiter auszubilden, daß unabängig von der Einfallsrichtung der Photonen eine weitgehende Umwandlung in auswertbare Energie erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch Solarzellen nach den Ansprüchen 1 und 2 gelöst.
Bei einer so ausgebildeten Solarzelle werden die einmal in den Glaskörper eingetretenen Photonen durch Reflexion am optisch dünneren Medium auf ein begrenztes Raumgebiet reflek­ tiert, in dem das Absorbermaterial der Solarzelle angeordnet ist, sofern sie der Bedingung für Totalreflexion genügen. Da­ durch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, daß Photonen, die nicht sofort absorbiert werden, zu einem späteren Zeitpunkt zur Absorption gelangen. Gleichzeitig dient der Glaskörper bereits als solcher als ein Kühlmedium, durch den die Tempe­ ratur des Absorbermaterials wesentlich unter den eingangs ge­ nannten ungünstigen Temperaturbereich gesenkt werden kann.
Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung können in derselben Höhe der vertikalen Längsachse des Glaskörpers jeweils mindestens zwei Absorbermaterialanordnungen in verschiedene Richtungen unter gleichen Winkelabständen ausgehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Ab­ sorbermaterialanordnungen in verschiedener Höhe jeweils so gegeneinander winkelversetzt angeordnet sein, daß sie sich helixartig in bezug zueinander von der Längsachse des Glas­ körpers wegerstrecken.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Längsachse des Glaskörpers und die in Form von Speichen vorgesehene Ab­ sorbermaterialanordnung röhrenförmig ausgebildet sind. Dies erlaubt es, durch das Innere der röhrenförmig ausgebildeten Längsachse und der Speichen ein Kühlmedium zum Kühlen des Absorbermaterials nach Art einer aktiven oder passiven, auf Konvektion beruhenden Kühlung zu führen.
Besonders vorteilhaft ist es bei einer solchen Ausfüh­ rung, das Kühlmedium den röhrenförmig ausgebildeten Speichen von innen radial nach außen durch die Längsachse zuzuführen.
Vorzugsweise wird auf der Oberfläche des Absorbermate­ rials mindestens ein in Längsrichtung der Speichen verlaufen­ der Streifen aus einem leitenden Material als Oberflächen­ kontakt aufgebracht, wobei die Innenfläche der röhrenförmigen Absorbermaterialspeichen als durchgehende Kontaktfläche aus­ gebildet sein kann. Auf diese Weise kann die Kontaktierung des Ab­ sorbermaterials der Solarzelle auf einfache und zuverlässige Weise vorgenommen werden, wobei es insbesondere von Vorteil ist, wenn der Oberflächenkontakt auf der Unterseite der Spei­ chen angeordnet ist, wodurch die Verluste weiter vermindert werden können.
Vorzugsweise sind mit dem Oberflächenkontakt und der Kontaktfläche an der Innenfläche des röhrenförmigen Absorber­ materials Anschlußleiter verbunden, die durch die Längsachse des Glaskörpers abgeführt werden.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, die untere Grundfläche des Glaskörpers zu verspiegeln, so daß die dort­ hin gelangende solare Strahlung, sofern sie nicht bereits vorher vom Absorbermaterial absorbiert worden ist, zu diesem zurückreflektiert wird.
Schließlich kann es vorgesehen werden, das Material des Glaskörpers mit einem lumineszierenden Material zu versehen, wodurch eine Verschiebung der Wellenlänge der eintretenden solaren Strahlung in Richtung auf die maximale Empfindlich­ keit des Absorbermaterials bewirkt werden kann.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Solarzelle ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevor­ zugter Ausführungsbeispiele, die im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben werden. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Solarzelle;
Fig. 2a)-2d) schematisierte Darstellungen einer herkömm­ lichen Solarzelle und eines röhrenförmigen Absorbers;
Fig. 3 eine Draufsicht auf das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Solarzelle;
Fig. 4 eine schematisierte isometrische Ansicht der erfindungsgemäßen Solarzelle, wie sie in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist;
Fig. 5 eine Schnittansicht eines röhrenförmigen Absorbers, wie er bei der erfindungsgemäßen Solarzelle Verwendung findet; und
Fig. 6 eine isometrische Ansicht des in Fig. 5 ge­ zeigten röhrenförmigen Absorbers.
Die in Fig. 1 in der Seitenansicht gezeigte Solarzelle enthält einen bei diesem Ausführungsbeispiel zylindrischen Glaskörper 1 mit einer Deckfläche 11, einer Grundfläche 13 und einer Mantelfläche 12. Die Grundfläche 13 und die Deck­ fläche 11 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eben dargestellt, sie können jedoch auch gekrümmt sein, was insbesondere für die Deckfläche 11 gilt. In dem Glaskörper sind von dessen vertikaler Längsachse 3 sich radial weg­ erstreckende Speichen 2 angeordnet, die durch das eigentliche Absorbermaterial der Solarzelle gebildet sind.
Die von der vertikalen Längsachse 3 ausgehenden Spei­ chen 2 des Absorbermaterials sind in bezug aufeinander höhen- und winkelversetzt angeordnet, wobei jeweils von der gleichen Höhe der vertikalen Längsachse 3 des Glaskörpers 1 mindestens zwei sich in entgegengesetzte Richtungen erstreckende Spei­ chen 2 angeordnet sind, die jedoch nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen, sondern mit einer zur Grundfläche 13 des Glas­ körpers parallelen Ebene jeweils gleiche Winkel einnehmen. Die Speichen 2 sind weiterhin in der Weise höhen- und win­ kelversetzt angeordnet, daß sie eine, bei dem gezeigten Aus­ führungsbeispiel doppelt ausgebildete, Helix bilden. Anstelle durch einzelne Speichen kann die Helix auch durch ein helix­ artig angeordnetes Band gebildet sein.
Durch diese Art der Ausbildung der Solarzelle ist es möglich, eine große Absorberfläche bei verhältnismäßig klei­ ner Grundfläche zur Verfügung zu stellen. Durch die Anordnung des Absorbermaterials besteht bereits eine als solche ver­ hältnismäßig große Wahrscheinlichkeit, daß die in den Glas­ körper eintretende solare Strahlung unmittelbar absorbiert wird. Diejenigen Photonen, die nicht sofort absorbiert worden sind, werden entweder an der Mantelfläche 12 oder an der verspiegelten Grundfläche 13 des Glaskörpers in Richtung auf die Absorbermaterialanordnung zurückreflektiert, wo sie dann zur Absorption gelangen. Durch die Neigung der Speichen gegenüber den zur Grundfläche 13 parallelen Ebenen wird die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens auf das Absorbermaterial weiterhin erhöht.
Die in Fig. 2a) gezeigte herkömmliche Solarzelle enthält ein Absorbermaterial 21, das an seiner oberen, der solaren Strahlung ausgesetzten Seite einen Oberflächenkontakt 22 trägt, der den Minuspol der Solarzelle bildet, sowie auf der gegenüberliegenden Oberfläche mit einem durchgehenden Rückseitenkontakt 23 versehen ist, der den Pluspol der Solar­ zelle bildet.
Dagegen wird im Ausführungsbeispiel das Absorbermaterial der Solarzelle, wie aus der JP 53-77189 A an sich bekannt, röhrenförmig ausgebildet, so daß sowohl die Längsachse 3 als auch die Speichen 2 durch miteinander in Verbindung stehende Röhren gebildet werden. Die Fig. 2b) bis 2d) zeigen schematisch den Übergang von einer herkömmlichen Solarzelle, wie sie in Fig. 2a) gezeigt ist, zu der röhrenförmig ausgebildeten Anordnung des Absor­ bermaterials, wie sie bei der in Fig. 1 gezeigten Solarzelle Verwendung findet. Dieser (lediglich gedanklich vorgenommene) Übergang besteht darin, daß das eben vorliegende Absorbermaterial 21 gekrümmt und in sich geschlossen wird, so daß sich die in Fig. 2d) gezeigte röhrenförmige Ausbildung ergibt. Der Oberflächenkontakt 22 ist dabei in Längsrichtung der Absorbermaterialspeiche ver­ laufend vorgesehen, wogegen der Rückseitenkontakt 23 die ge­ samte Innenfläche des röhrenförmigen Absorbermaterials der Speiche 2 bedeckt.
Aufgrund der röhrenförmigen Ausbildung des Absorber­ materials für die Speichen 2 und auch der vertikalen Längs­ achse 3 des Glaskörpers ist es möglich, ein Röhrensystem im Inneren des Glaskörpers zu bilden, das von einem Kühlmedium durchströmt werden kann, so daß eine aktive oder passive Kühlung des Glas­ körpers und des Absorbermaterials möglich ist. Vorzugsweise werden die röhrenförmigen Speichen 2 von dem Kühlmedium radial von innen nach außen durchströmt und das Kühlmedium durch die vertikale Längsachse des Glaskörpers von unten zugeführt. Als Kühlmedium kommt sowohl eine Flüssigkeit wie auch ein Gas in Frage. Besonders geeignet als Kühlmedium ist Wasser, da dieses zum einen eine hohe spezifische Wärme aufweist und zum anderen einfach verfügbar ist. Dabei ist lediglich sicherzustellen, daß der Rückseitenkontakt 23 auf der inneren Fläche des röhrenförmigen Absorbermaterials durch eine zusätzliche Isolationsschicht, die in den Figuren nicht extra dargestellt ist, gegen die Kühlflüssigkeit geschützt ist.
Fig. 3 zeigt in der Draufsicht die in Fig. 1 gezeigte Solarzelle. Die Absorbermaterialspeichen 2 übereinander­ liegender Ebenen sind jeweils um den Winkel α gegeneinander versetzt. Da in jeder Ebene jeweils zwei Absorbermaterial­ speichen sich in entgegengesetzte Richtungen erstreckend an­ geordnet sind und die zueinander höhen- und winkelversetzt angeordneten Speichen 2 eine Doppelhelix bilden, die sich über die Höhe der Solarzelle gerade um 180° windet, ergibt sich in der Draufsicht die in Fig. 3 ersichtliche gleich­ mäßige Winkelverteilung der Speichen über 360°.
Fig. 4 zeigt eine schematisierte isometrische Ansicht der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Solarzelle. Der Winkel Θ, den die Speichen 2 mit der Grundfläche 13 bzw. mit zu dieser parallelen Ebenen einschließen, ist so gewählt, daß sich bei minimaler gegenseitiger Abschattung eine maximale Oberfläche der Speichen ergibt. Vorzugsweise liegt der Winkel Θ im Bereich von 30 bis 55°. Für weniger aufwendige Ausführungs­ formen der Solarzelle kann der Winkel Θ jedoch auch 0° sein, wodurch die Herstellung wesentlich vereinfacht wird.
Im folgenden wird zum Zwecke der Illustration ein Zah­ lenbeispiel angegeben, aus dem die wesentlichen Größenver­ hältnisse hervorgehen:
Es wird davon ausgegangen, daß der Glaskörper von zylindrischer Form ist und die kreisförmige Grundfläche 1 m² beträgt. Für die Speichen werden folgende Annahmen gemacht:
Winkel Θ: 45°
Abstand der Ebenen: 0,1 m
Speichendurchmesser: 0,1 m
Um die Speichenanzahl zu bestimmen, muß man die von den Speichen verbrauchte Grundfläche von 0,5 m² (die fehlenden 0,5 m² für eine kreisförmige Grundfläche von 1 m² werden von den Speichenzwischenräumen verbraucht) durch die Fläche der Projektion der Speichen auf die Grundfläche teilen.
Für die gewählten Parameter von Glaskörper und Speichen erhält man folgende Abmessungen:
Radius Glaskörper: 0,564 m
Speichenlänge: 0,8 m
Fläche Speichenprojektion: 0,0564 m²
Absorptionsfläche einer Speiche: 0,251 m²
Speichenanzahl = 0,5 m²/0,0564 m² = 8,86 Speichen
Da nur ganzzahlige Speichenwerte benutzt werden können, sieht man, daß bei der vorgegebenen Wahl der Parameter ent­ weder 8 oder 9 Speichen benutzt werden können. Die Anzahl der Speichen bestimmt aber letztlich auch die Anzahl der Ebenen. Man erhält also folgendes Bild:
Dieses Beispiel zeigt die große Variabilität der Solar­ zelle in Abhängigkeit von den gewählten Parametern. Bei Ände­ rung der Grundannahmen ändern sich auch die Abmessungen der Solarzelle.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine der Absorber­ materialspeichen 2. Für die Absorptionsverhältnisse der auf eine Absorberspeiche 2 auftretenden Photonen gilt das fol­ gende:
Photonen, die die Oberseite des Absorbers durchdringen, ohne absorbiert zu werden, treffen auf der Unterseite des Absorbers auf und können dort mit dem Absorbermaterial wech­ selwirken. Die Anzahl dieser Photonen beträgt
N(1) = N(0) * exp(-βx),
wobei
N(0) = Anzahl der einfallenden Photonen,
β = Absorptionskoeffizient des Absorbermaterials plus Absorptionskoeffizient des Kühlmediums,
x = zurückgelegte Strecke in Absorber und Kühlmedium.
Die Anzahl der Photonen, die auch die Unterseite ver­ lassen, ohne absorbiert zu werden, ergibt sich ebenfalls ge­ mäß obiger Formel, wobei jedoch
β = Absorptionskoeffizient des Absorbermaterials,
x = zurückgelegte Strecke im Absorber.
Durch die Neigung der Speichen erhöht sich die geome­ trische Weglänge der Photonen im Absorbermaterial. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Absorption und damit des Wirkungsgrades der Solarzelle.
Fig. 6 zeigt die Gesamtverhältnisse an einer der Absor­ berspeichen 2. Der größte Teil der auf das Absorbermaterial auftreffenden Photonen N(0) wird in dem Absorbermaterial ab­ sorbiert. Die dabei erzeugte elektrische Leistung wird über elektrische Leiter 22′ und 23′, die mit dem Oberflächenkon­ takt 22 bzw. mit dem Rückseitenkontakt 23 verbunden sind, ab­ geführt. Die im Absorbermaterial entstehende Wärme wird durch das durch das Innere der röhrenförmigen Absorbermate­ rialspeiche 2 strömende Kühlmedium K abgeführt. Dadurch wird das Absorbermaterial so weit gekühlt, daß ein guter Wir­ kungsgrad erreicht wird.
Die Kühlung der Solarzelle kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, daß die Solarzelle teilweise in stehendes oder langsam fließendes Wasser eingetaucht wird, beispielsweise in ein natürliches Gewässer oder in ein Was­ serbecken. Die aus dem Wasser herausragende Deckfläche 11 und der aus dem Wasser herausragende Teil der Mantelfläche 12 der Solarzelle wirken dabei als Kollektorfläche für die einfal­ lende Sonnenstrahlung, während der in das Wasser eingetauchte Teil der Solarzelle im wesentlichen nur als Absorber wirkt. Es ist jedoch auch möglich, die Solarzelle vollständig in das Wasser einzutauchen und die Deckfläche 11 der Solarzelle op­ tisch mit einem separaten Kollektor zu koppeln, was im ein­ fachsten Fall mit Hilfe eines innen verspiegelten Rohres er­ folgen kann. In diesem Falle umgibt das Rohr sinnvollerweise auch den Absorber, so daß Licht, das den Absorber verläßt, in diesem zurückreflektiert wird. Die Kühlung erfolgt auf einfa­ che Weise dadurch, daß das Wasser durch die vertikale Längs­ achse 3 in die Absorbermaterialspeichen 2 eintritt, dort die erzeugte Wärme aufnimmt und dann aufgrund der Neigung der Absorbermaterialspeichen 2 in diesen aufsteigt. Am Ende der Absorberröhren verläßt das Wasser den Absorber und kehrt in das umgebende Wasserreservoir zurück.
Die Anpassung der Energie der Photonen der eintretenden solaren Strahlung an das Absorptionsspektrum des Absorber­ materials kann durch lumineszierende Stoffe erfolgen. Diese können entweder im Material des Glaskörpers 1 vorgesehen sein, so daß bereits die Energie der auf das Absorbermaterial auftreffenden Photonen in geeigneter Weise verschoben ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, die Speichen 2 durch ein fluoreszieren­ des Material zu bilden, die an ihrem Ende das eigentliche, photonenauffangende Absorbermaterial tragen. Die Speichen aus dem fluoreszierenden Material können dann entweder massiv oder wiederum röhrenförmig ausgebildet sein. Das im Zentrum des Glaskörpers 1 befindliche Ende jeder Speiche 2 wird in diesem Falle mit einem Spiegel abgeschlossen, wodurch eine Reflexion der Strahlung in den Speichen in Richtung auf das photonenauffangende Absorbermaterial am gegenüberliegenden Ende der Speichen erfolgt. Je größer das Verhältnis von Ober­ fläche der Speiche zu Querschnittsfläche der Speiche, d. h. zu der Seite mit dem Absorbermaterial, ist, desto höher wird das Licht konzentriert und desto weniger Absorbermaterial wird somit zum Erzeugen einer bestimmten Leistung benötigt.

Claims (17)

1. Solarzelle zum Umwandeln von Sonnenenergie in elek­ trische Energie, bei der ein photonenauffangendes Absorber­ material (21) in Form einer sich von einer vertikalen Längsachse (3) wegerstreckenden Anordnung in einem Glaskörper (1) ange­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber­ materialanordnung durch einzelne Speichen (2) oder speichenähn­ liche Segmente gebildet ist, die von der Längsachse (3) ausgehend in bezug zueinander höhen- und winkelversetzt angeordnet und in den Glaskörper (1) eingebettet sind.
2. Solarzelle zum Umwandeln von Sonnenenergie in elek­ trische Energie, bei der ein photonenauffangendes Absorber­ material (21) in Form einer sich von einer vertikalen Längs­ achse (3) wegerstreckenden Anordnung in einem Glaskörper (1) an­ geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorbermaterial­ anordnung durch ein Band gebildet ist, das helixartig um die Längsachse (3) angeordnet und in den Glaskörper (1) ein­ gebettet ist.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in derselben Höhe der vertikalen Längsachse (3) des Glaskörpers (1) jeweils mindestens zwei Absorbermaterial­ anordnungen (2) verschiedene Richtungen unter gleichen Winkel­ abständen ausgehen.
4. Solarzelle nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 3 unter Zurückbeziehung auf Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (2) oder die speichenartigen Segmente helixartig in bezug zueinander von der Längsachse (3) des Glaskörpers (1) ausgehen.
5. Solarzelle nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 3 unter Zurückbeziehung auf Anspruch 1 oder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (3) des Glaskörpers (1) und die Speichen (2) röhrenförmig ausgebildet sind.
6. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1, 3 unter Zurück­ beziehung auf Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (2) ausgehend von der vertikalen Längsachse (3) des Glaskörpers (1) einen spitzen Winkel Θ mit der Horizontalen einschließen.
7. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das photonenauffangende Absorbermaterial (21) durch ein eine direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bewirkendes Solarzellenmaterial gebildet ist.
8. Solarzelle nach Anspruch 7 unter Zurückbeziehung auf Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Innere der röhrenförmig ausgebildeten Längsachse (3) und der Speichen (2) ein Kühlmedium zum Kühlen des Absorbermaterials (21) geführt wird.
9. Solarzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium durch die Längsachse (3) zugeführt und durch die röhrenförmig ausgebildeten Speichen (2) radial nach außen abgeführt wird.
10. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des röhrenförmig ausgebildeten Solarzellenmaterials mindestens ein in Längsrichtung der Speichen (2) verlaufender Streifen (22) aus einem leitenden Material als Oberflächenkontakt aufgebracht ist, und daß die Innenfläche (23) der röhrenförmigen Absorbermaterial­ speichen (2) als durchgehende Kontaktfläche ausgebildet ist.
11. Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenkontakt (22) auf der Unterseite der Ab­ sorbermaterialanordnung vorgesehen ist.
12. Solarzelle nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit dem Oberflächenkontakt (22) und der Kontakt­ fläche auf der Innenfläche (23) der röhrenförmigen Absorber­ materialspeichen Anschlußleiter (22′, 23′) verbunden sind, die durch die Längsachse (3) des Glaskörpers (1) abgeführt werden.
13. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das photonenauffangende Absorbermaterial (26) durch ein fluoreszierendes Material gebildet ist und daß ein Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelndes Solarzellenmaterial an mindestens einem Ende der Absorber­ materialanordnung vorgesehen ist.
14. Solarzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarzellenmaterial an einem Ende der Fluoreszenz­ materialanordnung angeordnet ist und daß das andere Ende der Fluoreszenzmaterialanordnung durch einen Spiegel abgeschlossen ist.
15. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Grundfläche (13) des Glaskörpers (1) verspiegelt ist.
16. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Glaskörpers (1) mit einem lumineszierenden Material versehen ist.
17. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper (1) zylinderförmig ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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