DE4225133A1

DE4225133A1 - Anordnung zur Umwandlung von Sonnenenergie

Info

Publication number: DE4225133A1
Application number: DE4225133A
Authority: DE
Inventors: Adolf Prof Dr Goetzberger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1992-07-30
Filing date: 1992-07-30
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2012-07-31
Also published as: DE4225133C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung von Sonnenenergie und/oder ther mische Energie, und zwar eine Kombination von Flachkollektoren und einem Konzentrator.

Aus der Literatur sind zahlreiche Kollektoren für Solarstrahlung bekannt. Unter Kollektoren werden meistens thermische Kollektoren verstanden.

Die Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie aus der Solarstrahlung wird mei stens in Systemen mit Solarzellen erreicht, wobei die Solarzellen z. B. gekühlt werden und diese Energie dann verwendet wird. Da die Solarzellen sehr teuer sind, wird oft versucht, durch eine Konzentration diesen Mangel zu beheben. Für die Gewinnung von Hochtempe raturwärme ist es ebenfalls erforderlich die direkte Sonnenstrahlung zu konzentrieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die eine bessere Ausnutzung der Solarstrahlung erbringt. Erfindungsgemäß geschieht dies durch eine Kombination nach An spruch 1 sowie vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Kombination nach den Unteransprü chen.

Nur wenn man sehr hocheffiziente Komponenten verwendet, kann das Gesamtsystem selbst einen hohen Wirkungsgrad haben. Durch grundsätzliche Überlegungen wurde festgestellt, daß durch die flächendeckende Verwendung von Solarflachkollektoren und darüber angeordneten konzentrierenden Kollektoren, die transparent ausgebildet sind, der größte Wirkungsgrad pro Flächeneinheit zu erzielen sein wird.

Hocheffiziente Flachkollektoren, wie sie z. B. in "Sonnenenergie" 2/92 von A. Gerber, M. Rommel, A. Wagner in dem Artikel "TWD-Kollektoren" beschrieben sind, können hier beson ders gut verwendet werden. Dies kann z. B. ein Flachkollektor sein mit einer transparenten Wärmedämmung über dem selektiv beschichteten Absorber gem. Abb. 4 dieses Artikels, oder ein beidseitig beleuchtbarer Kollektor gem. Abb. 6, wobei rinnenförmige halbzylindri sche oder parabolförmige Spiegel vorgesehen sind, die jeweils paarförmig in einer Anord nung vorgesehen sind, und auf dem Steg zwischen den beiden Rinnen ein Absorber zu lie gen kommt, der mit der transparenten Wärmedämmung abgedeckt ist. Die gesamte Anord nung ist dann noch mit einer Verglasung zur Abdeckung gegen Witterungseinflüsse verse hen. Unter transparenter Wärmedämmung werden Materialien aus transparenten Waben- oder Röhrenstrukturen, die senkrecht zur Absorberebene angeordnet sind, verstanden. Die Waben- oder Röhrchenlänge kann dabei zwischen ca. 1 und 10 mm variieren. Die Dicke der Schicht kann dann 1-10 cm betragen.

Über diesen hocheffizienten Flachkollektoren befindet sich dann ein oder mehrere Konzen tratoren, wobei mindestens die konzentrierende Anordnung vorteilhafterweise durchsichtig ist, so daß die Globalstrahlung dann durch die Konzentratoranordnung auf die Flachkollektoren trifft, ebenso die direkte Strahlung, die nicht auf den Konzentrator trifft. Als Konzentrator kann z. B. eine Fresnellinse oder ein Linsensystem aus einzelnen quadratischen Linsen aus Glas oder anderem transparenten Material vorgesehen werden. Der nachgeführte Konzentrator konzentriert dann das direkte Licht auf eine thermische Energiegewinnungseinrichtung oder auf eine Solarzelle bei einem Konzentrationsfaktor von ca. 80-100. Die Anordnung der Flachkollektoren wird somit nur durch die Aufhängevorrichtung für den Konzentrator und das kleine Energiegewinnungssystem, den thermischen Absorber oder die Solarzelle, abgeschattet. Das diffuse Licht wird nicht durch die Linsen konzentriert und fällt nur leicht abgeschwächt auf die Flachkollektoren.

Da die direkte Solarstrahlung vorrangig von dem konzentrierenden System umgewandelt werden soll, können die Flachkollektoren eben aufgestellt werden und sind damit für die Gewinnung des diffusen Lichtes optimal aufgestellt. Die Figur zeigt schematisch die beid seitig beleuchtbaren Flachkollektoren 1 und den darüber angeordneten Konzentrator 2, wo bei mit 3 die Fresnellinse und 4 der Absorber bezeichnet sind.

Abschätzung der Lichtbestrahlung

Bei einer 2-achsigen Nachführung ist die benötigte Grundfläche 3,3× der Aperturfläche des Konzentrators. Von der auf eine ebene Fläche auffallenden Strahlung, ist etwa die Hälfte di rekte und die andere Hälfte indirekte Strahlung. Auf den nachgeführten Konzentrator fällt 114% der Globalstrahlung auf eine ebene Fläche gleicher Apertur. Diese Strahlung ist jedoch nur die Direktstrahlung auf eine nachgeführte Fläche. (Die Werte gelten für die Jahressum men für den Standort Freiburg.) Somit ergibt sich folgende Rechnung:

Globalstrahlung auf Gesamtfläche 3,3 × 100 =
330
davon direkte Strahlung (0,5 × Globalstrahlung)	165
auf den Konzentrator (Direktstrahlung)	114
direkte Strahlung auf die Ebene unterhalb des Konz.	51
diffuse Strahlung auf die Ebene unterhalb des Konz.	165
somit auf die Flachkollektoren	216

Somit fällt 65,45% der Globalstrahlung auf die Flachkollektoren (216/3,3). Der Konzentra tor nutzt 114/3,3 = 34,5%. Ein optimal geneigter Flachkollektor allein erhält dagegen nur 33,9%, wenn man den gesamten Flächenbedarf berücksichtigt.

Claims

1. Anordnung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische und/oder thermische Energie, gekennzeichnet durch folgende Kombination:

a) eine flächendeckende Anordnung von Solarflachkollektoren und
b) ein darüber angeordneter ein- oder zweiachsig nachgeführter konzentrierender Kollektor, dessen Konzentrator aus Glas oder einem anderen transparenten Material besteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator aus einer Fresnellinse besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber aus Solarzellen besteht, die gekühlt werden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber zur Umwandlung der Strahlung in Hochtemperaturwärme ausge bildet ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachkollektor aus einem beidseitig beleuchtbaren Absorber besteht, wobei die Rückseite mit Hilfe rinnenförmiger, z. B. zylindrischer, Spiegel beleuchtet wird.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachkollektor und/oder der Absorber wenigstens teilweise mit einer trans parenten Wärmedämmung isoliert ist.