DE4225130C2 - Zweistufige Konzentratoranordnung mit mehreren Solarzellen - Google Patents

Zweistufige Konzentratoranordnung mit mehreren Solarzellen

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Description

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Konzentratoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der Patentschrift DE 37 41 477 bekannt ist. Der dort aufgeführte Konzentrator ist jedoch ein sogenannter Compound-Konzentrator und daher komplett aus Glas oder Kunststoff bestehend und damit schwer, außerdem ist die Konzentration um den Faktor 10 nicht sehr groß.
Aus der JP-OS 58-48477 ist weiterhin ebenfalls ein zweistufiger Konzentrator, jedoch aus zwei Fresnellinsen, bekannt. Die zweite Fresnellinse hat lediglich die Aufgabe, die Brennebene bzw. Brennlinie für den Fall der geraden und der schräg einfallenden Strahlung diese auf eine gemeinsame Brennlinie, in der die Solarzellen liegen, zu sammeln. Die zweite Fresnellinse dient also nicht der Konzentration.
Aus Solar Energy, Vol. 23, Seite 409-420 ist eine zweistufige, einachsig polar nachgeführte Konzentratoranordnung zur Wärmegewinnung bekannt mit einer linearen Fresnellinse als erster Konzentrator und einem parabolischen Reflektor als zweiter Konzentrator. Die erreichte Konzentration ist ungefähr 16fach, da die zweite Konzentration nur linear erfolgt. Hier wird hauptsächlich das Problem diskutiert, die Fresnellinse dachförmig auszubilden.
Aus W. Palz et al., Sixth E. C. Photovoltaie Solar Energy Conference, Proc. of the International Conference, held in London, U. K., 15.-19. April 1985, Dordrecht 1985, Seite 216-220 ist ebenfalls ein ähnliche Anordnung bekannt, wobei die zweite Stufe auch ein linearer Konzentrator ist, mit einem gesamten Konzentrationsfaktor von etwa 30-40.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Konzentration eines zweistufigen Konzentrators gem. dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auf eine Konzentration von ca. 300 zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird dies durch eine Konzentratoranordnung nach dem Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Anordnung gem. dem o. g. Stand der Technik der DE-PS 37 41 477 der Anmelderin, auf die bzgl. der hier nicht näher erläuterten Fachausdrücke ausdrücklich Bezug genommen wird, hat deshalb einen relativ geringen Konzentrationsfaktor, da dort die Konzentration im wesentlichen von dem Brechungsindex des Materials des Konzentrators abhängt.
Durch die Ausbildung des Konzentrators nach Anspruch 2 wird erreicht, daß die Konstruktion wesentlich leichter ausfällt und damit billiger wird. Auch die Ausführung des ersten Konzentrators als Parabolrinnenspiegel ist relativ einfach.
Die Ausbildung des zweiten Konzentrators aus einem CPC (Compound Parabolic Concentrator) ist für das Gewicht hier nicht so entscheidend, da die Maße hier sehr klein gehalten und gegenüber dem Gesamtgewicht der Konstruktion zu vernachlässigen sind.
Gemäß den Ansprüchen 5 und 6 werden besonders vorteilhafte Öffnungswinkel u₂ vorgesehen, die nur für den Fall des Anspruchs 6 eine maximale Konzentration ergibt, wie die noch folgende Abschätzung zeigt.
Der Vorteil der neuen Konzentratoranordnung besteht insbesondere darin, daß nur um eine Achse, nämlich die polare, d. h. für die Tageszeit nachgeführt werden muß. Da die Anordnung vorzugsweise so aufgestellt ist, daß zum Tag der Tag- und Nachtgleiche die Sonnenstrahlung etwa senkrecht auf die Anordnung fällt, gelangt nur die Strahlung an einer Kante nicht auf den darunterliegenden zweiten Konzentrator. Durch die Anordnung von Spiegel an diesen Kanten wird erreicht, daß auch die jahreszeitig schwankende Strahlung, nämlich in dem Winkel von ±23,5°, auf den zweiten Konzentrator gelangt.
Für die Konstruktion der Konzentratoranordnunug spielt der Winkel der maximalen Deklination, in der Himmelskunde auch Ekliptik genannt, eine wesentliche Rolle. Der Winkel spielt hier besonders deshalb eine Rolle, da die Nachführung nur um eine Achse erfolgen soll, nämlich die polare, d. h. Nord-Süd-Richtung.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Konzentratoranordnung mit Fresnellinsen und Fig. 2 eine Konzentratoranordnung mit einem Parabolrinnenspiegel als erste Stufe und einen 3-D CPC als zweite Stufe.
Fig. 1a zeigt eine Konzentratoranordnung, wobei die Maße nur relativ zueinander festgelegt sind und nicht maßstäblich. Mit 1 ist ein erster Konzentrator, hier eine lineare Fresnellinse, bezeichnet, mit 2 quadratische Fresnellinsen, die nebeneinander zu liegen kommen und parallel zu dem Konzentrator 1 liegen. In dieser perspektivischen Darstellung erscheinen die quadratischen Fresnellinsen rechteckig. Unter diesen zweiten Konzentratoren 2 liegen dann Solarzellen 3. An den beiden Längsseiten der Konzentratoranordnung sind Spiegel 4 angeordnet, die bewirken, daß die Anordnung jahreszeitlich nicht nachgeführt werden muß und die entsprechenden Strahlen in das Innere der Anordnung umgelenkt werden. Die Achse der Nachführung, die in Nord-Süd-Richtung zu liegen kommt, liegt auf der Mittelsenkrechten der projizierten Konzentratoren 1 und 2 sowie der Solarzelle 3 unterhalb der Solarzelle 3 und ist somit eine Längsachse des Konzentrators.
Fig. 1b zeigt diese Anordnung in einem Nord-Süd-Schnitt. Da die Konzentratoranordnung so aufgestellt wird, daß zur Tag- und Nachtgleiche die Solarstrahlung senkrecht auf die Anordnung trifft, zeigt Fig. 1b die Strahlung am 21. Dezember. Der Einfallswinkel schwankt also über das Jahr zwischen ±23,5°.
Fig. 1c zeigt den Ost-West-Schnitt. Durch die Nachführung um die Achse 5, die senkrecht auf dem Papier steht, steht die Sonne immer senkrecht über dem Konzentrator.
Der halbe Öffnungswinkel auf die Solarzelle 3 unterhalb der zweiten Konzentratorstufe 2 ist deutlich größer als 30°. Ein praktikabler Wert liegt zwischen 70° und 90°.
Gem. Fig. 1c erkennt man, daß die Apertur der Sonnenscheibe 0,54° beträgt. Für den Fall, daß der Konzentrator 2 unterhalb des Konzentrators 1 in dem Winkel von 23,5° angeordnet ist, ergibt sich hier als maximale theoretisch mögliche Konzentration für die erste lineare Stufe:
a₁/a₂ = sin u₂/sin u₁ = sin 23,5°/sin 0,27° = 84,64.
Für die zweite Stufe ist die maximal mögliche Konzentration zweidimensional:
a₁/a₂ = 1/sin² 23,5° = 6,28.
Damit ergibt sich eine maximale Konzentration von 84,64×6,28=531,54. In der Relatität dürfte vermutlich etwa nur die halbe theoretische Konzentration erreichbar sein, die jedoch deutlich mehr ist als heute bekannte einachsig nachgeführte Systeme mit einer Konzentration von unter 100.
Damit können auch GaAs-Solarzellen wirtschaftlich eingesetzt werden.
Die Konzentratoranordnung nach Fig. 1 kann beispielsweise folgende Maße haben:
Bei einer Solarzellengröße von 5×5 mm² hat die quadratische Fresnellinse die Maße 12,5×12,5 mm², woraus sich für die lineare Fresnellinse eine Breite von 1060 mm ergibt. Die Brennweite beträgt ca. 1300 mm und somit die Gesamthöhe des zweistufigen Konzentrators ca. 1,5 m. Die Länge des Konzentrators ist beliebig. Da der Konzentrator schräg aufgestellt wird, dürfte eine Länge von 2-5 m praktikabel erscheinen.
Fig. 2a zeigt als ersten Konzentrator einen Parabolrinnenspiegel 1 und darüber angeordnet einen 3-D CPC 2 und die Solarzellen 3 und die seitlichen Spiegel 4. Auch hier liegt die Achse der Nachführung auf der Mittelsenkrechten der Anordnung 1, 2 und 3, natürlich unterhalb des Parabolrinnenspiegels 1.
Fig. 2b zeigt wieder einen Nord-Süd-Schnitt und den Einfall am 21. Dezember.
Fig. 2c zeigt wieder den Ost-West-Schnitt.
Für diesen Anwendungsfall ergeben sich beispielsweise folgende Maße:
Bei einer Solarzellengröße von 5×5 mm² erhält die CPC eine Apertur von 12,5×12,5 mm², bei einer Höhe von ca. 30 mm; die Breite des Parabolrinnenspiegels beträgt wieder 1060 mm, die Brennweite ca. 1300 mm. Auch hier beträgt die Gesamthöhe des zweistufigen Konzentrators ca. 1,5 m. Die Länge ist auch hier beliebig wählbar und dürfte bei 2-5 m liegen.

Claims (7)

1. Zweistufige Konzentratoranordnung mit mehreren Solarzellen zur Konzentration der Solarstrahlung auf die Solarzellen, mit einem ersten Konzentrator mit linearer Konzentration und einen zweiten, nachgeordneten Konzentrator, bei dem die Konzentration zweidimensional erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einachsig polar nachführbar ausgestaltet ist, wobei die Achse der Nachführung parallel zum ersten linearen Konzentrator angeordnet ist, und daß der halbe Öffnungswinkel u₂ des zweiten Konzentrators (2) etwa 20 bis 30° beträgt.
2. Konzentratoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Konzentrator (1) und/oder der zweite Konzentrator (2) jeweils aus einem Linsensystem, z. B. Fresnellinsen, aus Glas oder anderem transparenten Material besteht.
3. Konzentratoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Konzentrator (1) ein Parabolrinnenspiegel ist.
4. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Konzentrator (2) aus einem homogenen parabolischen Konzentrator besteht.
5. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Öffnungswinkel u₂ 22-25° beträgt.
6. Konzentratoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Öffnungswinkel etwa 23,5° beträgt.
7. Konzentratoranordnung nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Längsseite der Konzentratoranordnung Spiegel (4) zur Ablenkung der einfallenden Randstrahlung auf den zweiten Konzentrator (2) vorgesehen sind.
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