DE4124795C2

DE4124795C2 - Verwendung eines Solarmoduls

Info

Publication number: DE4124795C2
Application number: DE4124795A
Authority: DE
Inventors: Adolf Prof Dr Goetzberger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1991-07-26
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2011-07-27
Also published as: DE4124795A1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Solarmoduls, wie es aus der EP 0 255 900 A2 bekannt ist.

In der Praxis der terrestrischen Anwendung werden Solarzellen in Module verpackt, die zum Schutze gegen Witterungseinflüsse eine Oberflächenabdeckung aus gehärtetem, eisenarmem Glas aufweisen. Die Solarzellen werden mit Hilfe von thermoplastischen Kunst stoffen mit dem Glas hermetisch verbunden. Dadurch entsteht eine gute reflexions mindernde optische Ankopplung. Die äußere Oberfläche der Module ist in den meisten Fällen eben, es werden aber auch Oberflächen mit unregelmäßig gewellter Oberfläche zur Ver meidung von Blendung hergestellt.

Aus der EP 0 255 900 A2 ist es bekannt, das ankommende Licht, das auf die Leiterbahnen, die ca. 6-10% der Fläche ausmachen, auftreffen würde, durch Oberflächenstrukturierungen abzulenken auf die Solarzelle selbst. Diese Oberflächenstrukturen sind Rillen mit prismatischem oder linsenförmigem Querschnitt. Damit die Aufgabe der Strahlablenkung erfüllt wird, muß die Solarzelle nachgeführt werden und die Form, und insbesondere der Scheitelwinkel 2γ der Rillen ist abhängig von dem Abstand der Leiterbahnen auf der Solarzelle. Mit dieser Lösung befassen sich auch die US-PS 4 053 327 und 4 379 202.

Bei sehr dünnen Schichten andererseits will man bei senkrechtem Einfall verhindern, daß das Licht ohne Umwandlung durch die Schicht geht und sieht zu diesem Zweck ebenfalls prismen- oder linsenförmige Strukturen auf der Rückseite der Solarzelle vor, die den Strahl dann zurück in die Solarzelle reflektieren (US 3 973 994 und DE-OS 34 31 603).

Bei all diesen Lösungen sind die Scheitelwinkel in der Größenordnung von 90° oder größer.

Das Ziel der hier beschriebenen Erfindung ist dagegen, die Oberflächenreflexion bei nicht senkrechtem Einfall der Strahlen zu vermindern. Für normales Glas mit einem Brechungsindex von etwa 1,5 beträgt die Transmission an der Oberfläche bei senkrechtem Einfall 96%, nimmt aber bei schrägem Einfall ab und sinkt bei 90° Einfallswinkel (gegen die Senkrechte) auf Null. Für diffuses Licht, das mit gleicher Intensität aus allen Richtungen kommt, ist der gemittelte Reflexionskoeffizient 17%.

Für direkte Sonnenstrahlung gelten ähnliche Voraussetzungen wie für diffuses Licht, da die Sonne im Laufe eines vollen Tages in bezug auf eine zur Sonnenbahn senkrechte Empfängerfläche alle Einfallsrichtungen durchläuft.

Üblicherweise werden Sonnenkollektoren und Photovoltaikmodule mit einem Neigungswinkel gleich der geographischen Breite nach Süden ausgerichtet aufgestellt. Dann betragen die Einfallswinkel in Ost-West-Richtung
-90° bis +90°
und in Nord-Süd-Richtung
-23,45° bis +23,45°.

Somit sind die Verhältnisse ähnlich, d. h. die Reflexionsverluste für Globalstrahlung an einer Glasoberfläche sind über das Jahr gemittelt in der Größenordnung von 15%.

Bisher bekannte Maßnahmen zur Reflexionsverminderung sind:

1. Beschichtung der Glasoberfläche mit Interferenz-Antireflexschichten. Das Verfahren wird für optische Geräte technisch eingesetzt, scheitert aber für Solarmodule nicht nur wegen der hohen Kosten, sondern weil ein sehr breiter Spektralbereich und ein großer Winkelbereich erfaßt werden müssen.
2. Oberflächliches Anätzen der Gläser. Hier werden stark natriumhaltige Gläser oberflächlich ausgelaugt und damit ein gradueller Übergang des Brechungsindex erzielt. Das Verfahren liefert gute Ergebnisse, wird aber nicht eingesetzt, da die Auslaugung kostenaufwendig ist und Spezialgläser eingesetzt werden müßten, die nicht marktgängig sind.
3. Oberflächenstrukturierung mit submikroskopischen Beugungsgittern (R. H. Morf und H. Kiess, 9th European PV-Solar Energy Conference, Freiburg, 1989, Proc. S. 313). Dieses Verfahren existiert bisher nur als Vorschlag. Es erzielt einen ähnlichen Effekt wie unter 2., basierend auf eingeprägten Stufengittern mit Dimensionen von etwas 0,1 µm. Wegen der kleinen Dimensionen und Fragilität der Strukturen dürfte die Realisierung auf Schwierigkeiten stoßen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Oberflächenreflexion bei nicht senkrechtem Einfall der So larstrahlung zu vermindern. Ideal wäre eine stark aufgerauhte Glasoberfläche, die durch Mehrfachreflexionen zu fast vollständiger Absorption des Lichts führen würde. Da es sich jedoch um die äußere Abdeckung eines Solarmoduls handelt, ist eine solche Oberfläche nicht verwendbar, da sie zu leicht verschmutzt.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines Solarmodul nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Modul zeichnet sich dadurch aus, daß die möglichen Einfallswinkel der direkten Sonnenstrahlung und gleichzeitig die Minimierung der Verschmutzung berücksichtigt werden, ohne daß das Modul der Sonne nachgeführt werden muß.

Die Maßnahmen nach den Ansprüchen 2-3 geben bevorzugte Scheitelwinkel an.

Die Maßnahme nach Anspruch 4 bewirkt, daß der Wirkungsgrad des Moduls besonders hoch wird.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Abb. 1-4 erläutert werden.

Abb. 1 zeigt ein Modul in perspektivischer Sicht. Eine Glasabdeckung 1 hat eine regelmäßige dach- und prismenförmige Oberflächenstrukturierung. Solarzellen 3 sind an die Glasab deckung optisch gut angekoppelt. Wichtig ist, daß die Rillen in Nord-Süd-Richtung bzw. von oben nach unten in einer schräg aufgestellten Anordnung verlaufen. Dann wird einerseits die direkte Sonnenstrahlung optimal absorbiert und weiterhin gewährleistet, daß die senkrecht verlaufenden Rillen durch Regenwasser sauber gehalten werden. Es ist besonders vorteil haft, wenn die Solarzellen eine möglichst richtungsunabhängige Absorptionskennlinie auf weisen, da die Lichtstrahlen in der Glasabdeckung eine wesentlich größere Winkelverteilung haben als in einer ebenen Platte. Moderne Solarzellen haben diese Absorptionseigenschaften.

Der Winkel an der Spitze 2 der prismenförmigen Rillen muß zur Steigerung des Wirkungsgrades durch Minderung der Reflexion an der Oberfläche optimiert werden. Abb. 2 gibt die Winkelabhängigkeit der Anordnung an. Der Winkel 2γ am Scheitel des Prismas soll einer seits möglichst klein sein, denn durch zu flache Strukturen würde zuviel Licht nach oben reflektiert werden. Im Grenzfall für γ → 90° entsteht eine ebene Oberfläche. Andererseits soll das ins Glas eingetretene Licht nicht wieder austreten, da durch weitere Reflexion Lichtverluste auftreten würden. Daraus resultiert die Forderung, daß der äußerste noch zu absorbierende Strahl, z. B. ein horizontaler Strahl 4, nach Brechung an der Eintrittsstelle am Punkt 5 total reflektiert werden soll.

Unter Heranziehung der Brewster'schen Gleichung und der Winkelbeziehung von Abb. 2 ergibt sich entsprechend Abb. 2 für das Dreieck ABC die Winkelbeziehung
180-2γ+β+δ=180 und daraus δ=2γ-β.
Nach dem Brechungsgesetz gilt sinβ=(sin α)/n und somit

δ=2γ - arc sin ((sin α)/n).

Mit der weiteren Bedingung für die Totalreflexion im Punkt 5 wird

sind δ = 1/n

und damit

Für waagerechten Lichteinfall ist α=γ und die Beziehung vereinfacht sich zu

In der Praxis will man Sonnen strahlen höher als 10° über dem Horizont noch gut absorbieren. Abb. 2 stellt einen Schnitt dar, man kann jedoch zeigen, daß Strahlen, die aus Richtungen außerhalb der Zeichenebene kommen, unter flacheren Winkeln an Punkt 5 ankommen, d. h. die totale Reflexionsbedingung ist für alle Strahlen erfüllt.

Setzt man einen üblichen Brechungsindex für Glas von n=1,5 in obige Beziehung ein und löst nach γ auf, dann erhält man γ=32°. Die Abhängigkeit der Lichtabsorption einer derartigen Struktur vom Einfallswinkel wurde mit Hilfe eines die Strahlung simulierenden Programms berechnet und mit der einer ebenen Oberfläche verglichen. Abb. 3 zeigt die Transmission für γ=32° und Abb. 4 für eine ebene Oberfläche. Man erkennt die deutliche Verminderung der Reflexion und damit den durch die Erfindung erzielten Vorteil.

Claims

1. Verwendung eines Solarmoduls, welches aus einer Abdeckung aus durchsichtigem Material mit strukturierter Oberfläche auf der nach außen gerichteten Seite und darunter befindlichen Solarzellen besteht, wobei die Strukturierung aus kontinuierlichen, sich periodisch wiederholenden Rillen mit prismatischem Querschnitt besteht, in nicht nachgeführten und nicht konzentrierenden Systemen, wobei das Modol so ausgerichtet wird, daß die Rillen etwa in Nord-Süd-Richtung verlaufen.

2. Verwendung eines Solarmoduls nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß für den Scheitelwinkel 2γ der Prismen folgende Bedingung gilt: mit n= Brechungsindex der Abdeckung.

3. Verwendung eines Solarmoduls nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Scheitelwinkel γ etwa 30-35°, vorzugsweise 32° beträgt.

4. Verwendung eines Solarmoduls nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen eine geringe Richtungsabhängigkeit ihres Lichtabsorptions koeffizienten aufweisen.