DE4219000A1 - Verfahren und vorrichtung zum gleichfoermigen konzentrieren von sonneneinstrahlung fuer photovoltaische anwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Reflektorvorrichtung zum Konzentrieren von Solarenergie, und bezieht sich insbesondere auf ein Solarkonzentrationsverfahren und -reflektor zum Konzentrieren von Sonnenstrahlung (Solar­ fluß), und zwar gleichmäßig auf eine Solarzellenanordnung.

Parallel zu den Bemühungen, die sich auf das Vermindern der Ko­ sten von elektrischer Energie, die durch terrestrische pho­ tovoltaische (PV) Systeme erzeugt wird, durch Vermindern der Kosten von Solarzellen und Vergrößern von deren Wirkungsgraden richten, gibt es die Entwicklung des Konzepts der Solarkonzen­ tration für PV-Anwendungen. Als eine Alternative zum Einsatz von großflächigen Solarzellen in flachen, nicht konzentrierten Anordnungen versprechen konzentrierende Einrichtungen und Sy­ steme, die Zellenfläche, die benötigt wird zum Umwandeln von Sonnenlicht, das in einem gegebenen Gebiet aufgefangen wird, in großem Maße zu verkleinern. Beträchtlich weniger Solarzellen­ fläche wird in einem System benötigt, das konzentriertes Son­ nenlicht verwendet, weil die Wirksamkeit solcher Zellen log­ arithmisch mit dem Niveau der Sonnenbestrahlungsstärke (Solar­ irradianz) ansteigt, und zwar bis zu dem Punkt, an dem die Er­ wärmung der Zellen weitere Verstärkungen trotz Kühlungsbemü­ hungen verhindert. Somit kann ein signifikanter Kostenvorteil erreichbar sein, da Solarzellen typischerweise um zwei Größen­ ordnungen teuerer sind pro Einheitsfläche als die Materialien, die für das sonnenkonzentrierende Bauteil eines photovolta­ ischen Umwandlungssystems verwendet werden. Es wird dadurch möglich, relativ teuere hochwirksame Solarzellen in einem PV- Solarumwandlungssystem zu verwenden, das Elektrizität zu er­ zeugen verspricht mit Kosten, die viel geringer sind als für Elektrizität, die durch eine vergleichbare flache Anordnungs­ konfiguration geliefert wird.

In einem konzentrierenden photovoltaischen System wird Sonnen­ licht auf relativ moderate Niveaus konzentriert, beispielsweise von zehn bis einigen hundert "Sonnen". Es ist sehr wichtig, daß dieses Niveau der Beleuchtungsstärke gleichförmig über die Flä­ che der Solarzellen verteilt wird für eine optimale Umwand­ lungseffizienz. In einem typischen Solarkonversionssystem sind die Solarzellen in der Ebene der Beleuchtung in Serie verbun­ den, um genügend Ausgangsspannung zu erhalten und in Serie verbundene Zellen sind strombegrenzt auf den Strom der Zelle mit dem geringsten Strom. Dies setzt einen Schwerpunkt darin, jede Zelle gleich zu beleuchten. Es sei ferner bemerkt, daß für jede einzelne Zelle eine nicht-gleichförmige Beleuchtung dieser Zelle einen Verlust der Zelleneffizienz bewirken wird. Somit ist es wünschenswert, eine gleichförmige Fluß- oder Bestrah­ lungsdichte über jede der einzelnen Solarzellen der Anordnung und auch über die gesamte Anordnung hinweg vorzusehen für opti­ male Umwandlungseffizienz. Bezüglich der Bestrahlungsintensität wird erwartet, daß moderne PV-Umwandlungssysteme, die Einstrah­ lung auf hochwirksame Zellen konzentrieren, eine optimale Lei­ stung erreichen werden bei Konzentrationsniveaus in dem gemä­ ßigten Bereich von 50 bis 200 Sonnen. Forscher haben bei der Verwendung relativ teuerer hochwirksamer Siliziumsolarzellen gefunden, daß Spitzenleistungseffizienzen erreicht werden kön­ nen bei Konzentrationen im Bereich von 75 bis 100 Sonnen. Dies ist offenbart in Rios, M. Jr. und Boes, E. C. 1982, "Photo­ voltaic Concentrator Technology", Progress in Solar Energy. The Renewable Challenge Band 5, Teil 3 von 3. Review and Indices, 1982 Annual Meeting, American Solar Energy Society, Houston, TX, Franta, G.E. et al. eds. S. 1563-1576.

Der Stand der Technik umfaßt verschiedene Versuche der Solar­ konzentration für photovoltaische Anwendungen, jedoch erfüllen die bestehenden Systeme im allgemeinen nicht die Anforderungen der gleichförmigen Flux- oder Strahlungskonzentration und es bleibt ein Bedarf für verbesserte Solarkonzentrierer (Sonnen­ lichtsammler). Ein Versuch der Lösung des Problems ist gewesen, eine Fresnel-Brechungslinse, wie beispielsweise eine flache Linse oder eine Dachlinse zu verwenden zum Brechen von Solar­ energie auf eine flache PV-Ebene. Gekrümmte Fresnel-Linsen wer­ den auch in Konzentratorsystemen verwendet mit einigem Erfolg. Jedoch sind diese herkömmlichen kompressionsgeformten Acryl- Fresnel-Linsen relativ kostspielig, benötigen kostspielige Mo­ dulgehäuse und sind anfällig auf thermisches und mechanisches Versagen. Andere Nachteile des Fresnel-Linsenkonzentrator-Kon­ zepts umfassen Übertragungsverluste durch die Linse. Ein sekun­ därer Konzentrator wurde vorgeschlagen als ein Weg zum Errei­ chen höherer Konzentrationen (200 bis 500 Sonnen) und zum Er­ reichen der Gleichförmigkeit in dem Bestrahlungsprofil (Flux­ profil). Dies wird in der folgenden Veröffentlichung disku­ tiert: Winston, R., and O′Gallagher, J., 1988, "Performance of a Two-Stage 500X Nonimaging Concentrator Designed for New High Efficiency, High Concentration Photovoltaic Cells", Solar ′88 Coleman, M. J. ed., Proceedings of the 1988 Annual Meeting, American Solar Energy Society, Inc., Cambridge, MA, S. 393-395. Es sei jedoch bemerkt, daß für Anwendungen, die nicht solch ho­ he Konzentrationsniveaus benötigen, der Zusatz eines sekundären Konzentrators Kosten und Komplexität hinzufügt.

Ein weiterer wichtiger Versuch ist gewesen, Sonnenlicht durch Reflexion zu konzentrieren und der Stand der Technik sieht meh­ rere Beispiele der Verwendung von Reflektorsystemen zum Konzen­ trieren von Solareinstrahlung vor. Parabolschüsselreflektoren, die offenbart sind, beziehen sich in erster Linie auf die ther­ mische Solarschüsseltechnologie, wo in starkem Maße lokali­ sierte und konzentrierte Einstrahlung (Flux) in der Größenord­ nung von Tausenden von Sonnen benötigt wird. Konzentratoren, die reflektierende Elemente verwenden, die eine konkav-sphäri­ sche Form haben, wurden auch erdacht. Siehe Authier, B. and Hill, L., 1980 "High Concentration.

Solar Collector of the Stepped Spherical Type: Optical Design Characteristics", Applied Optics Band 19, Nr. 20, S. 3554-3561 Diese sind auch thermische, punktfokussierende Konstruktionen, die nicht geeignet sind zur Nutzbarmachung von konzentrierter Einstrahlung bei relativ gemäßigten Konzentrationen (75-200 Sonnen), die für PV-Zellenanwendungen als wünschenswert gefun­ den wurden, und sehen kein Mittel vor zum Erreichen solcher Einstrahlung mit einer Gleichförmigkeit über eine Zielfläche hinweg.

Ein Reflektorkonzentratorsystem, das insbesondere für PV-An­ wendungen konstruiert wurde, wird in dem folgenden Artikel ge­ lehrt: Kurzweg, U.H., 1980, "Characteristics of Axicon Concen­ trators for Use in Photovoltic Energy Conversion",. Solar En­ ergy Vol. 24, S. 411-412. Die Lösung dieses Artikels für die Anforderung der gleichförmigen Einstrahlungskonzentration ist, achsensymmetrische Reflektor-Absorberkombinationen zu verwenden zum Erreichen von gleichförmiger Einstrahlungsdichte an der Ab­ sorberoberfläche. Diese achsensymmetrischen Konzentratoren ver­ wenden nicht-flache Zielgeometrien, wie beispielsweise die Oberfläche eines Innenkonus, der mit Solarzellen bedeckt oder überzogen ist. Dies trägt wenig zur Verbesserung eines Konzen­ tratorsystems bei, das eine optimale Leistung durch Projizieren gleichförmiger Einstrahlung auf ein flaches, ebenes Ziel errei­ chen kann, das eine Anordnung von Solarzellen enthält.

Noch ein weiteres photovoltaisches solarelektrisches Schüs­ selkonzept wird vorgestellt in Swanson, R. M. July 1988, "Photovoltaic Dish Solar-Electric Generator", Proceedings of the Joint Crystalline Cell Research and Concentrating Collector Projects Review SAND88-0522, Sandia National Laboratories, Al­ buquerque, NM, S. 109-119. Eine reflektierende Parabolschüssel wird verwendet zum Fokussieren von Sonnenlicht am Eingang eines Empfängerhohlraums und zum Umwandeln der nicht-gleichförmig hereinkommenden Einstrahlung in eine gleichförmige Einstrahlung an der Ebene der Solarzellenanordnung, die in dem Empfänger an­ gebracht ist. In den Hohlraum eintretendes Licht divergiert beim Fortschreiten über den primären Brennpunkt hinaus und wird schließlich von den Seiten des Hohlraums reflektiert zur Streu­ ung über die Zellenanordnungebene. Unglücklicherweise werden die Kosten und die Komplexizität solcher Konstruktionen erhöht durch die Erfordernis eines Empfängers.

In einem Beispiel des Standes der Technik, das sich nicht spe­ ziell auf PV-Anwendungen bezieht, zeigt das US-Patent 41 95 913 einen optischen Integrierer für elektromagnetische Strahlung, der eine Vielzahl von reflektierenden Segmenten auf­ weist, die an einer sphärischen, konkaven Oberfläche angebracht sind. Dieser Versuch, einen Lichtstrahl mit gleichförmiger In­ tensität zu erzeugen, erfordert die einzelne Befestigung vieler reflektierender Oberflächenelemente und ist ziemlich komplex. Somit bietet er sich nicht für kostengünstige Herstellungsver­ fahren und -techniken an, die von der Solarumwandlungsindustrie in deren Bestreben benötigt werden, relativ billige und dennoch hochwirksame Konzentratoren für PV-Umwandlungssysteme zu ent­ wickeln.

Ein neuer und einzigartiger Weg des Sonnenkonzentrators wird vorgesehen durch die vorliegende Erfindung, die eine Lösung vorsieht, die besonders gut geeignet ist für optimale photo­ voltaische Umwandlung durch Projizieren mäßig konzentrierter Sonneneinstrahlung mit gleichförmiger Intensität über eine So­ larzellenzielebene hinweg, und zwar in einer bisher uner­ reichten Weise. Die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden durch das Folgende beleuchtet.

Hinsichtlich der Beschränkungen und Nachteile des genannten Standes der Technik ist es ein allgemeines Ziel der vorlie­ genden Erfindung, ein Verfahren zum Konzentrieren einer gleich­ förmigen Einstrahlung von mäßiger Solarenergie über eine Ziele­ bene einer Solarzellenanordnung vorzusehen, sowie eine Solarre­ flektorschüssel, die selbiges erreicht.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen So­ larreflektor vorzusehen, der sich für wirtschaftliche Her­ stellungstechniken eignet, wie beispielsweise die Herstellung, die eine Technik mit einstückiger Form oder eine Stanztechnik verwendet.

Ein zugehöriges Ziel ist es, einen Solarreflektorkonzentrator vorzusehen, der wirkungsvoll wirksam und relativ billig ist.

Ein weiteres Ziel ist es, einen Reflektor vorzusehen, der für photovoltaische Anwendungen konstruiert ist, und der nicht ar­ beitsintensive und komplexe Einstellungs- und Ausrichtungs­ vorgänge benötigt, um wirksam eingesetzt zu werden.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Solarreflektor vorzusehen, der eine gleichförmige Intensitätsverteilung über eine Zielfläche vorsieht, und zwar auf eine Weise, die in der Wirklichkeit vorkommende optische Fehler und Sonnenschatten­ effekte bei seiner Konstruktion berücksichtigt.

Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, eine Solarreflektor­ schüssel vorzusehen zum Konzentrieren der gleichförmigen Ein­ strahlung auf ein Ziel ohne das Erfordernis eines Emp­ fängerelements oder eines sekundären Konzentrators.

Ferner ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Reflek­ torschüssel vorzusehen, die eine Vielzahl von reflektierenden Elementen verwendet mit Oberflächen, die maßangefertigt werden können zum Vorsehen eines gewünschten mäßigen Einstrahlungsni­ veaus und gleichförmigen Profils.

Die vorhergehenden und weitere Ziele und Vorteile werden er­ reichbar durch die vorliegende Erfindung, die ein neues Ver­ fahren und Mittel vorsieht zum Projizieren von gleichförmig konzentrierter Solareinstrahlung auf mäßigen Niveaus auf eine Zielebene für PV-Anwendungen. Der Reflektor der Erfindung um­ faßt eine Vielzahl von konkaven, konischen Abschnittsrotati­ onsoberflächen, die um eine gemeinsame Achse angeordnet sind und reflektierende Oberflächenelemente aufweisen, wobei jedes Oberflächenelement auf eine vorbestimmte Weise definiert ist durch seinen Abstand in axialer Richtung zu der Vorderseite ei­ ner parabolischen Referenzschüssel, die einen Scheitel hat, der einen Abstand von der Zielebene gleich seiner Brennweite auf­ weist, um mäßige gleichförmige Einstrahlungskonzentrationen in dem Bereich von ungefähr 75 bis 300 Sonnen zu erzeugen. In ei­ nem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden drei bis fünf sphä­ rische konzentrische reflektierende Oberflächenelemente verwen­ det, jedes mit dem gleichen effektiven reflektiven Oberflächen­ gebiet und wobei jedes Element eine Krümmung hat, die gleich der halben Brennweite der Referenzschüssel ist. Die Verspiege­ lung der reflektierenden Elemente wird vorsätzlich herunterge­ stuft in einer vorbestimmten Weise, um die gewünschte mäßige Einstrahlungsintensität und Gleichmäßigkeit der Verteilung über die Zielebene zu erreichen.

Die begleitenden Zeichnungen zeigen bevorzugte Ausführungs­ beispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschrei­ bung der Erklärung der Grundlagen der Erfindung. In der Zeich­ nung zeigt:

Fig. 1 eine schematische seitliche Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Solareinstrah­ lungskonzentration, die von einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung über eine Zielfläche hinweg vorgesehen wird.

Mit Bezugnahme nunmehr auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein be­ vorzugtes Ausführungsbeispiel einer mehrfach abgestuften Kon­ zentratorschüssel 13 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die re­ flektierende Oberfläche besteht aus fünf reflektierenden Ober­ flächenelementen, einschließlich eines Nabenelements, das mit dem Bezugszeichen n1 bezeichnet ist, und ringförmiger reflek­ tierender Elemente n2-n5, und alle Elemente liegen symmetrisch um eine gemeinsame Achse Z.

Es sei bemerkt, daß jedes der reflektierenden Elemente (n1-n5) eine Rotationsoberfläche ist, die durch ein konkaves, sphäri­ sches Segment vorgesehen wird. Die Gesamtöffnungsfläche A des Reflektors 13 ist die Kreisfläche um den äußeren Rand des Re­ flektors 13. Die Größe jedes der reflektierenden Elemente n1-n5 kann definiert werden durch Bezugnahme auf die geschnittene (intercepted) Fläche, die jedes Element in der Z-Richtung auf die Ebene der Öffnung projiziert. Beispielsweise werden Pro­ jektionen von dem Umfang des zentralen reflektierenden Elements n1 die Öffnungsebene schneiden, um einen Kreis zu bilden, und die Größe des Elements n4 (n1) wird durch die Fläche dieses Kreises dargestellt. In ähnlicher Weise wird jedes der speziel­ len Segmente n2-n5 einen Ring auf die Öffnungsebene projizieren und hat eine Größe, die in der Fläche des jeweiligen Rings re­ flektiert wird. In dem hier beschriebenen bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel ist die geschnittene Fläche jedes reflektierenden Elements so gewählt, daß sie ein Fünftel der gesamten Öffnungs­ fläche darstellt.

Die reflektierenden Elemente n1-n5 können definiert werden durch Bezugnahme auf eine Referenzschüssel 15, eine imaginäre Parabolschüssel, welche die gleiche Achse Z aufweist, wie ge­ zeigt. Die Referenzschüsel 15 hat einen Scheitelpunkt Vr und eine Brennweite f. Eine Zielebene 16 senkrecht zu der Z-Achse liegt in einer Entfernung von dem Scheitelpunkt Vr gleich der Brennweite f und die absorbierende Oberfläche einer Anordnung 17 von Solarzellen wird in der Ebene 16 getragen, wie gezeigt. Die rechteckige Anordnung 17 ist innerhalb eines Kreises in der Zielebene 16 angeordnet, der einen Radius Rt hat. Die Position jedes reflektierenden Segments kann dann definiert werden durch seine Versetzung von der Referenzschüssel 15 entlang der Z-Ach­ se. Die Versetzung jedes reflektierenden Elements von der Refe­ renzschüssel 15 wird bewertet in Bezug auf die Scheitelpunkte der entsprechenden reflektierenden Elemente. Scheitelpunkt V1 ist der Schnitt des Nabenelements n1 mit der gemeinsamen Achse Z. Scheitelpunkt V2 ist der Schnitt mit der Z-Achse einer Aus­ dehnung der imaginären Kugel, in der das reflektierende Element n2 liegt. In ähnlicher Weise sind V3, V4 und V5 jeweils die Scheitelpunkte der entsprechenden ringartigen reflektierenden Segmente n3, n4 und n5.

Es sei auch bemerkt, daß jedes sphärische Segment (n1-n5) vor­ zugsweise eine Krümmung hat, die gleich ist wie 1/(2f). In dem hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel wurden sphärische, abschnittsweise, reflektierende Segmente gewählt, weil entdeckt wurde, daß Abweichungen, die mit solchen konkaven sphärischen reflektierenden Abschnitten assoziiert werden, dazu neigen, das Bild in der Brennebene auszubreiten, was eine grö­ ßere nutzbare Zielfläche ergibt. Die Verwendung sphärischer Segmente dient auch dazu, Leistungsflußniveaus (power flux le­ vels) vorzusehen, die geringer sind als die mit Parabolkonzen­ tratoren assoziierten, welche, wie oben gesagt, zu hoch sind und zu spitzenförmig für die relativ mäßigen Solarkonzentra­ tionen (75-300 Sonnen), die als wünschenwert angesehen werden für wirksame und wirkungsvolle Verwendung mit zur Verfügung stehenden hochwirksamen Solarzellen.

In einem Beispiel eines Fünfstufen-Schüsselkonzentrators gemäß der vorliegenden Erfindung sind die einschlägigen Parameter un­ ten in Tabelle I gezeigt.

Tabelle I

Ein Gesamtöffnungsdurchmesser D von 1,5 m wurde in einem System verwendet, wobei f/D = 0,5.

In einem Computermodell bezüglich dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung wurden 10 000 zufallsmäßig erzeugte Strahlen von dem vorliegenden Fünfstufenreflektor zu der Zielebene 16 ver­ folgt. Das sich ergebende Einstrahlungs- oder Flußprofil der solaren Konzentration in Sonnen als eine Funktion der radialen Position in einem kreisförmigen Ziel ist in Fig. 2 gezeigt.

Die radiale Position jedes Strahls beim Schneiden der Zielebene wurde in konzentrische ringförmige Abschnitte oder Bins einge­ teilt (35 Bins). Das Konzentrationsverhältnis (in Sonnen) ist dann die Anzahl von Strahlen pro ringförmigem Abchnitt geteilt durch die Gesamtzahl von Strahlen pro Schüsselöffnungsfläche, multipliziert mit dem angenommenen Reflektionsgrad der Schüssel (0,90). Das sich ergebende Frenquenzhistogramm von Fig. 2 zeigt, daß eine ziemlich flache Konzentration von ungefähr 175 Sonnen bis hinaus zu 4,5 cm erreichbar ist gemäß der vorliegen­ den Erfindung. In diesem Beispiel wurde ein Verspiegelungsfeh­ ler von ungefähr 5,0 mrad gewählt. Wesentlich höhere Werte des Verspiegelungsfehlers ergeben eine Nicht-Gleichförmigkeit. Die in Fig. 2 gezeigten Daten gelten auch für einen Steigungsfehler von 3,0 mrad und eine Gauss′sche Sonnenform mit sigma = 2,73 mrad.

Ein großer Vorteil von Schüsselreflektoren mit reflektierenden Oberflächen gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß sie wirt­ schaftlich und leicht hergestellt werden können. Schüsselsub­ strate können aus einem geeigneten Polymermaterial geformt wer­ den unter Verwendung von Techniken der Kunststoff-Form- und -Spritzguß-Industrie. Geeignete thermoplastische Materialien umfassen Styrolharze, wie beispielsweise Polystyrol und ABS- Kunststoff. Schüsselsubstrate können auch aus einem in Wärme aushärtendem Polymer (Duroplast), wie beispielsweise Polyure­ than, geformt werden. Die Herstellung wird vervollständigt durch Verbinden einer dünnen, reflektierenden Filmschicht mit der abgestuften Oberfläche des Substrats. Reflektierende Filme, die besonders für solare Anwendungen geeignet sind, sind im Handel erhältlich von der Minnesota Mining and Manufacturing Corporation in St. Paul, Minnesota.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 21 einen dünnen reflek­ tierenden Polymerfilm, der die abgestufte Oberfläche eines ge­ formten Polyurethan-Schüsselsubstrats 23 bedeckt.

Schüsseln gemäß der vorliegenden Erfindung können auch wirt­ schaftlich und leicht hergestellt werden in der Form von Blech­ stanzen. Die Anordnung wird vervollständigt durch Bedecken der abgestuften Oberflächen der Blechstücke mit einem geeigneten reflektierenden Film.

Während die reflektierenden Oberflächen von herkömmlichen So­ larkonzentratoren derart konstruiert sind, daß sie in hohem Maße spiegelnd und glatt sind, wird ein einzigartiger Aspekt der vorliegenden Erfindung in der vorsätzlichen Herabstufung oder Verschlechterung seiner reflektierenden Oberflächen gese­ hen, und zwar um vorbestimmte Größen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden optische Fehler, wie Verspiegelungsfehler, nicht minimiert, sondern in die reflektierenden Oberflächen eingebracht und tragen zu verbesserter Gleichförmigkeit der Einstrahlungsverteilung in der Zielebene bei. Hierin liegt ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung. Die höheren Oberflächenfeh­ ler gestatten leichtere Fabrikationseinschränkungen und Tole­ ranzen, was die Herstellungskosten verringert. Durch das Ge­ stalten ihrer reflektiven Oberflächen berücksichtigt die Erfin­ dung auch den Neigungsfehler, welchen die herkömmliche Reflek­ tortechnologie als Oberflächenfehler normalerweise zu mini­ mieren sucht. Gewisse nennenswerte Neigungsfehlerniveaus, die in den reflektierenden Oberflächen der Erfindung ausgestaltet sind, tragen auch zur Einstrahlungsgleichförmigkeit bei.

Sandstrahlen wird als eine Technik erwogen, um gewünschte Ni­ veaus von beabsichtigtem Oberflächenfehler den reflektierenden Oberflächen des gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Schüsselreflektors zuzufügen. Genauer wird in dem Falle, wo die Schüssel aus Blech gestanzt wird, wie oben beschrieben, die ge­ samte reflektierende Oberfläche der gestanzten Metallrohschüs­ sel mit einem Sandstrahl behandelt. Um die Herstellung zu ver­ vollständigen, wird ein geeigneter dünner und geschmeidiger, reflektierender Polymerfilm, wie beispielsweise von der oben beschriebenen Art, mit dem herabgestuften Schüsselsubstrat ver­ bunden, dessen Substratoberfläche "durchdrücken" wird, und wo­ bei er die Oberflächenmerkmale des metallischen Substrats an­ nimmt. In dem Fall, wo Schüsseln gemäß der Erfindung als ge­ formte oder gespritzte Rohkörper aus einem geeigneten Polymer­ material beginnen, wie oben beschrieben, wird die betroffene Oberfläche der metallischen Herstellungsform eine Sandstrahlbe­ handlung erhalten, um sie in einem vorbestimmten Ausmaß gleich­ mäßig abzustumpfen oder abzuschleifen. In die sich ergebenden geformten oder gespritzten Schüsselrohkörper werden die ent­ sprechend aufgerauhten oder herabgestuften Oberflächen einge­ drückt. Wie im Falle des Blechsubstrats wird ein geeigneter, reflektierender, dünner Polymerfilm dann über die aufgerauhten (abradierten) Oberflächen des Substrats angebracht, so daß er die Eigenschaften der aufgerauhten Substratoberflächen annimmt.

Um die oben genannten, oberflächenaufrauhenden Vorgänge zu überwachen und um die gewünschten Niveaus der Verminderung der Reflexionswerte zu erreichen, stehen den Fachleuten verschie­ dene Techniken zur Verfügung zum direkten Messen der einschlä­ gigen Reflexionseigenschaften einer Oberfläche. Eine für diesen Zweck geeignete Meßeinrichtung ist das tragbare Reflektometer oder Reflexionsmeßgerät, das als Modell 15-R von der Devices and Services Company aus Dallas, Texas, erhältlich ist. Siehe auch Freese, J., 1978, "The Development of a Portable Specular Reflectometer", Sandia Laboratories Report SAND78-1918.

Es sei auch bemerkt, daß sphärische Formen für die Konfigura­ tion der reflektierenden Elemente der bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung gewählt wurde. Neben dem Beitrag zum gleichförmigen Verteilen der Einstrahlung über die Ziele­ bene bei mäßigen Konzentrationsniveaus vereinfacht und verbil­ ligt die sphärische Form weiter den benötigten Stanz- oder Formvorgang, da solche Formen leichter erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um gleich­ förmige Einstrahlungsniveaus von 75-400 Sonnen vorzusehen und gemäß der Erfindung konstruierte Reflektoren können gestaltet werden, daß sie ein gewünschtes Einstrahlungsniveau mit ±10% Gleichförmigkeit erreichen.

Die Anzahl und relative Größe jeden reflektierenden Elements kann verändert werden. Die Art des konischen Abschnitts und die Größe der Scheitelkrümmung kann auch verändert werden. Jeder Abschnitt kann in gleicher Weise um unterschiedlich viel ent­ lang der gemeinsamen Achse verschoben werden und optische Feh­ ler der Oberfläche können maßgefertigt werden.

Durch Verwendung verfügbarer Computermodelltechniken können Fachleute unterstützt werden beim Gestalten von Konfigurationen reflektierender Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung. CAD- Softwarepakete für optische Solarkonzentratorkonfigurationen sind im Handel erhältlich von James Associates aus Boulder, Co­ lorado. Eine weitere im Handel erhältliche Quelle ist das CIRCE Computer Programm, das von Sandia National Laboratories aus Al­ buquerque, New Mexico, erhältlich ist.

Obwohl ein besonderes Ausführungsbeispiel der Erfindung be­ schrieben wurde, wird es dem Fachmann offensichtlich sein, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen, und daher sollen alle solche Veränderungen und Modifikationen der Erfindung ab­ gedeckt werden.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor. Ein Schüs­ selreflektor und ein Verfahren zum Konzentrieren mäßiger Son­ neneinstrahlung gleichförmig auf eine Zielebene auf einer So­ larzellenanordnung, wobei die Schüssel eine abgestufte reflek­ tierende Oberfläche hat, die gekennzeichnet ist durch eine Vielzahl von ringähnlichen Segmenten, angeordnet um eine ge­ meinsame Achse, und wobei jedes Segment eine konkave sphärische Konfiguration aufweist.

Claims (34)

1. Schüsselreflektor (13) zum Konzentrieren von Sonnenein­ strahlung (Solarfluß) gleichförmig über eine Zielebene (16) auf einer Solarzellenanordnung (17), wobei der Reflektor (13) gekennzeichnet ist durch:

• a) eine Vielzahl von konzentrischen, konkaven reflektieren­ den Oberflächenelementen (n1-n5), die symmetrisch um eine gemeinsame Achse (Z) angeordnet sind, welche senkrecht steht zu der Zielebene (16), und
• b) wobei jedes der Oberflächenelemente (n1-n5) bezüglich seiner Axialposition nach vorn von einer parabolischen Re­ ferenzschüssel (15) ist, die die gleiche Achse (Z) teilt und einen Scheitelpunkt (Vr) hat, der einen Abstand von der Zielebene (16) hat gleich der Brennweite (f) der Referenz­ schüssel (15).

2. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei jedes der reflek­ tierenden Oberflächenelemente einen gleichen Bruchteil der gesamten reflektierenden Oberfläche des Reflektors auf­ weist.

3. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei die reflektie­ renden Oberflächenelemente das gleiche Oberflächengebiet aufweisen.

4. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei jedes der reflek­ tierenden Oberflächenelemente um ein vorbestimmtes Maß von der Referenzschüssel versetzt ist.

5. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei jedes der reflek­ tierenden Oberflächenelemente ein sphärisches Segment auf­ weist.

6. Schüsselreflektor nach Anspruch 3, wobei jedes der re­ flektierenden Oberflächenelemente ein sphärisches Segment aufweist.

7. Schüsselreflektor nach Anspruch 4, wobei jedes der re­ flektierenden Oberflächenelemente eine Krümmung hat, die gleich ist zu 1/(2f), wobei f die Brennweite der Refe­ renzschüssel ist.

8. Schüsselreflektor nach Anspruch 4, wobei jedes der Elemente eine sphärische Konfiguration aufweist.

9. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei die Krümmung jedes reflektierenden Oberflächenelements geeignet ist, Abwei­ chungen (Aberrationen) zu produzieren, die das von dem Son­ nenreflektor auf der Zielebene gebildete Sonnenbild aus­ breiten.

10. Schüsselreflektor nach Anspruch 9, wobei jedes der Elemente ein sphärisches Segment aufweist.

11. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, der drei bis fünf der reflektierenden Elemente aufweist.

12. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, der fünf der reflek­ tierenden Elemente aufweist.

13. Schüsselreflektor nach Anspruch 9, der fünf der reflek­ tierenden Elemente aufweist.

14. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei jedes der reflek­ tierenden Elemente eine aufgerauhte (degradierte) Oberflä­ che mit Verspiegelungsfehlern aufweist, die dazu neigen, die Einstrahlung auszubreiten, die von jedem der Elemente reflektiert wird.

15. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei jedes der re­ flektierenden Elemente eine sphärische Konfiguration hat, die geeignet ist zum Vorsehen von optischen Abweichungen, die sich über die Zielebene ausbreiten.

16. Schüsselreflektor nach Anspruch 14, wobei die gleichförmige Einstrahlung (Flux) im Bereich von ungefähr 175 Sonnen ist.

17. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei die Verspiegelung jedes der reflektierenden Elemente im Bereich von ungefähr 1,5 bis 3,0 mrad ist.

18. Schüsselreflektor nach Anspruch 14, wobei die Verspiegelung des Reflektors ungefähr 3,0 mrad ist.

19. Schüsselreflektor nach Anspruch 4, worin die reflektie­ renden Elemente ein sphärisches Segment aufweisen und wobei das Verhältnis der Brennweite der Referenzschüssel zu dem Durchmesser der Öffnung der Schüssel ungefähr 0,5 ist.

20. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei jedes der reflek­ tierenden Elemente eine parabolische Konfiguration hat.

21. Schüsselreflektor nach Anspruch 11, wobei jedes der sphäri­ schen reflektierenden Elemente eine Krümmung hat, die gleich der halben Brennweite der Referenzschüssel ist.

22. Schüsselreflektor nach Anspruch 21, der fünf der Elemente aufweist.

23. Schüsselreflektor nach Anspruch 1, wobei die Scheitelpunkte jedes der Elemente von dem Scheitelpunkt der Referenzschüs­ sel um einen vorbestimmten Abstand von der Referenzschüssel entlang der gemeinsamen Achse versetzt sind.

24. Schüsselreflektor nach Anspruch 5, wobei die Sonnenkon­ zentration entlang der Zielebene im Bereich von ±10% von 175 Sonnen ist.

25. Schüsselreflektor nach Anspruch 12, wobei die Zielebene ein Kreis mit ungefähr 3,0 bis 4,0 cm Durchmesser ist.

26. Verfahren zum Konzentrieren von Sonneneinstrahlung (Solar­ flux) auf mäßige Konzentrationsniveaus im Bereich von 75 bis 400 Sonnen gleichförmig über eine Zielebene auf einer Solarzellenanordnung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

• a) Vorsehen eines Schüsselreflektors, der eine Vielzahl von konzentrischen, konkaven reflektierenden Oberflächenelemen­ ten aufweist, die symmetrisch um eine gemeinsame Achse an­ geordnet sind, und wobei jedes der Oberflächenelemente de­ finiert ist bezüglich seiner axialen Position nach vorn von einer parabolischen Referenzschüssel, die die gleiche Achse teilt;
• b) Anordnen des Reflektors relativ zu der Zielebene derart, daß die gemeinsame Achse senkrecht zu der Zielebene ver­ läuft, und daß der Scheitelpunkt der parabolischen Refe­ renzschüssel von der Zielebene einen Abstand gleich der Brennweite der Referenzschüssel aufweist; und
• c) Empfangen der Sonneneinstrahlung und Reflektieren der­ selben von dem Reflektor auf die Zielebene.

27. Verfahren nach Anspruch 26 zum Konzentrieren von Sonnen­ einstrahlung im Bereich von 75 bis 200 Sonnen.

28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei jedes der reflektierenden Oberflächenelemente im wesentlichen das gleiche wirksame Oberflächengebiet aufweist.

29. Verfahren nach Anspruch 26, wobei die reflektierenden Ele­ mente sphärische Segmente aufweisen.

30. Verfahren nach Anspruch 26, wobei jedes der reflektierenden Elemente eine Krümmung aufweist, die gleich 1/(2f) ist, wo­ bei f die Brennweite der Referenzschüssel ist.

31. Verfahren nach Anspruch 26, das den Schritt aufweist des Aufrauhens der reflektierenden Oberflächenelemente, um den Verspiegelungsfehler der reflektierenden Oberflächenelemen­ te auf eine vorbestimmte Weise zu vergrößern.

32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die reflektierenden Ele­ mente derart aufgerauht werden, daß sie einen Verspiege­ lungsfehler im Bereich von 5,0 bis 10,0 mrad aufweisen.

33. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Anzahl der vorhan­ denen reflektierenden Elemente im Bereich von 3 bis 5 ist.

34. Verfahren nach Anspruch 31, das den Schritt aufweist des dichten bzw. eng anliegenden Bedeckens der Oberflächenele­ mente mit einer dünnen Schicht aus reflektierendem Mate­ rial, wobei die dünne Schicht die Oberflächeneigenschaften der Elemente übernimmt.