DE4405650C1 - Solarkraftwerk mit photovoltaischen, gekühlten Solarmodulen - Google Patents
Solarkraftwerk mit photovoltaischen, gekühlten SolarmodulenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Solarkraftwerk mit photovoltaischen,
gekühlten Solarmodulen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Kraftwerk ist beispielsweise aus der US 4 388
481 bekannt.
Bei dem aus der genannten US 4 388 481 bekannten Solarkraftwerk
werden die Sonnenstrahlen durch einen langgestreckten,
rinnenförmigen Hohlspiegel konzentriert und auf die
Solarzellenelemente des Solarmoduls geleitet. Das Solarmodul
weist auf seiner Rückseite Kühlrippen auf. Darüber hinaus sind
an der Vorderseite (Lichteinfallseite) des Solarmoduls sich
parallel zur Längsrichtung erstreckende Spiegel angebracht, die
flach einfallende Strahlen von den äußeren Bereichen des
Hohlspiegels auf die Solarzellenelemente lenken. Damit werden
die schlechten Abbildungseigenschaften des Hohlspiegels
ausgeglichen und die Toleranz beim Nachführen des
Solarkraftwerks vergrößert.
Aus der DE-OS 31 09 284 ist ein Sonnenkraftwerk zur Erzeu
gung sowohl von Elektrizität als auch von Nutzwärme be
kannt. Die photovoltaischen Zellen sind im Winkel zueinan
der an einer von einem Kühlfluid durchflossenen Halterung
angebracht. Der nicht in Elektrizität umwandelbare Teil des
Lichtspektrums wird durch rohrförmige Glaskörper ausgefil
tert.
Den vorerwähnten Einrichtungen ist gemeinsam, daß die Solarmodule die gleichen Längen wie die Hohlspiegel aufweisen,
und daß die Kosten für die meist kompli
zierten Anlagen hoch sind.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, bei
einem Solarkraftwerk der gattungsgemäßen Art
bei einfachem Aufbau unter Verwendung han
delsüblicher Bauelemente die Konzentration der Sonnenstrahlung weiter zu erhöhen, damit mit einer kleineren Solarzellenfläche auszukommen
und die Solarenergie, die im Ver
gleich zu der aus Kohle oder Öl erzeugten elektrischen En
ergie immer noch sehr teuer ist, zu verbilligen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in
Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Hinsichtlich bevorzugter
Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche
verwiesen.
Gemäß der Erfindung trägt das Solarmodul an seinen beiden Enden zu seiner
Oberfläche geneigte Seitenspiegel, über welche die aus den Rand
bereichen des Hohlspiegels reflektierten Strahlen auf die
Oberfläche des Solarmoduls führbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt
die Neigung der Spiegel zur Oberfläche des Solarmoduls bei
etwa 120°. Lichtstrahlen, deren Energie sonst verlorengehen
würde, werden nunmehr auf das Solarmodul gerichtet, wodurch
sich eine entsprechende Leistungssteigerung ergibt. Vor
teilhafterweise sind die seitlichen Spiegel im wesentlichen
trapezförmig ausgebildet und verbreitern sich von der
Breite des Solarmoduls ausgehend zum Hohlspiegel hin.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Er
findung ist die Oberfläche des Solarmoduls einem zur Brenn
linie des Hohlspiegels konzentrischen Zylinder angenähert.
Die ankommenden Lichtstrahlen treffen somit auf eine zur
Brennlinie konzentrische Zylinderoberfläche weitgehend
gleichmäßig auf, so daß die gesamte Oberfläche des Solarmo
duls mit gleicher Intensität angestrahlt wird. Hierdurch
läßt sich die Energieausbeute weiter steigern.
Vorteilhafterweise besteht die Oberfläche des Solarmoduls
aus einzelnen ebenen Solarzellenabschnitten, deren Ausrich
tung dem zur Brennlinie des Hohlspiegels konzentrischen Zy
linder angenähert ist. Diese Ausgestaltung führt zu einer
wesentlichen Kostenreduzierung, da sich ebene Solarzellen
abschnitte wesentlich kostengünstiger herstellen lassen als
Solarzellen mit gekrümmter Oberfläche. Die einzelnen
Solarzellenabschnitte tragen seitlich die vorerwähnten ge
neigten Spiegel.
Eine weitere Kosteneinsparung läßt sich gemäß einer zweck
mäßigen Ausgestaltung der Erfindung erzielen, wenn der
Hohlspiegel im Bereich des durch die Solarzelle verursach
ten Schattenwurfs einen entsprechenden Ausschnitt aufweist.
Durch den so gebildeten Ausschnitt läßt sich der Hohlspie
gel aus zwei Teilen fertigen, die dem Schattenwurf entspre
chend einen Abstand voneinander besitzen.
Besonders vorteilhaft ist es, eine gerade Zahl gleichgroßer
ebener Solarzellenabschnitte vorzusehen. Damit liegt dem
Zentrum des Schattenwurfs, von welchem keine Sonnenein
strahlung zu erwarten ist, eine Freifläche des Solarzellen
elementes gegenüber, die keine photovoltaischen Elemente
aufweist.
Schließlich ist es erforderlich, wie dies an sich aus dem
Stand der Technik bekannt ist, den Hohlspiegel zusammen mit
dem Solarmodul dem Lauf der Sonne nachzuführen. Es ergibt
sich somit eine optimale Ausnutzung der Sonneneinstrahlung
über den gesamten Verlauf des Tages.
Durch die Erfindung wird somit insgesamt der wesentliche
Vorteil erzielt, daß es nunmehr möglich ist, aus den an
sich sehr teuren Solarmodulen unter Verwendung preisgünsti
ger Spiegel, vorzugsweise beschichteter Aluminiumspiegel,
ein Vielfaches derjenigen Energie herauszuholen, die ohne
Konzentration des Lichtes zu gewinnen wäre.
Weitere Vorteile des Sonnenkraftwerkes ergeben sich aus der Be
schreibung anhand der Zeichnungen. Diese zeigt in:
Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Solarkraftwerkes mit einem Solarmo
dul im Vertikalschnitt sowie
Fig. 2 im Querschnitt gemäß Linie II-II nach Fig. 1 und
Fig. 3 schematisch im Schnitt eine abgewandelte Ausfüh
rungsform mit zueinander winkligen Einzelab
schnitten des Solarmoduls, deren Lage der
Mantelfläche eines Brennzylinders angenähert
ist.
Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist bei dem dargestellten
Solarkraftwerk ein Hohlspiegel 10 vorgesehen, der die Form
eines Teils einer Kreisrinne oder einer Parabolrinne be
sitzt und die Sonnenstrahlen 11 in Richtung auf die Brennlinie
12 reflektiert.
Zwischen dem Hohlspiegel 10 und dessen Brennlinie 12 befin
det sich ein photovoltaisches Solarmodul 13. Dieses besitzt
handelsübliche ebene photovoltaische Solarzellenelemente
13a und weist ansonsten einen herkömmlichen Aufbau auf, so
daß eine nähere Erläuterung für den einschlägigen Fachmann
an dieser Stelle nicht erforderlich ist. Stromabführungs
leitungen 14, 15 sind an die entgegengesetzten Pole des So
larmoduls 13 angeschlossen.
Auf der dem Hohlspiegel 10 abgewandten Seite des Solarmo
duls 13 befindet sich ein einseitig offener Behälter 16,
der durch die Solarzellenelemente 13a verschlossen und mit
einem Kühlmittel 17 angefüllt ist. An den Kühlmittelbehäl
ter 16 sind Zu- und Abführungsleitungen 18 bzw. 19 für das
Kühlmittel 17 angeschlossen. Sie münden in einen Behälter
20, der in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellt ist. Es
kann sich um einen Kühler, ein Gewässer oder - zur Aus
nutzung der Wärmeenergie - um einen Warmwasserverbraucher
handeln. Eine Pumpe 21 dient der Zwangsführung des Kühlmit
tels 17, so daß das Solarmodul 13 die erforderliche ent
sprechende Kühlung erfährt.
An beiden Enden des Solarmoduls 13 befindet sich jeweils
ein Seitenspiegel 22, 23, dessen Spiegelfläche dem
Hohlspiegel 10 zugewandt ist. Die Seitenspiegel 22 bzw. 23
bilden mit der Ebene des Solarmoduls 13 jeweils einen Win
kel α von etwa 120°. Die Seitenspiegel 22, 23 reflektieren
die Sonnenstrahlen 11, die das Solarmodul 13 andernfalls
nicht erreichen würden, auf dessen Oberfläche. Hierdurch
ergibt sich eine erheblich gesteigerte Leistung des Kraft
werkes. Durch die hierdurch erreichte hohe Konzentration
des Sonnenlichts werden auch in den lichtschwachen Morgen-
und Abendstunden oder in den Wintermonaten die Solarzellen
elemente 13a mit genügend Licht beaufschlagt, um fast die
maximale Leistung zu erreichen.
Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, besitzen die Seitenspiegel
22 und 23 eine trapezförmige Ausgestaltung. Sie verbreitern
sich zum Hohlspiegel 10 hin. Die aus Fig. 2 ersichtliche
Länge jedes Seitenspiegels 22 bzw. 23 entspricht vorzugs
weise der Breite des Solarmoduls 13, kann aber bei Wunsch
auch der halben Breite des Solarmoduls 13 entsprechen. Da
bei liegt in Gegenden hoher Sonneneinstrahlung die Länge
der Seitenspiegel 22 bzw. 23 bei der halben Breite des So
larmoduls 13.
Da bei der beschriebenen Ausführungsform der zentrale Be
reich des Solarmoduls 13 näher an der Spiegelbrennlinie 12
liegt als die Seitenbereiche des Solarmoduls 13, ist die
Einstrahlung im zentralen Bereich entsprechend höher.
Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 3 besteht
das dargestellte Solarmodul 24 aus einzelnen ebenen Ab
schnitten von Solarzellenelementen 24a. Diese sind winklig
zueinander angeordnet und zwar derart, daß ihr Verlauf der
äußeren Mantelfläche eines Brennzylinders angenähert ist,
auf welchem die Strahlungsintensität theoretisch völlig
gleichmäßig ist. Der Querschnitt des Kühlmittelbehälters 16
ist Polygon entsprechend der Begrenzung durch die Solarzel
lenelemente 24a. Der Behälter 16 ist wie bei der ersten
Ausführungsform mit einem Kühlmittel 17 gefüllt. Zu- und
Abführungsleitungen für das Kühlmittel 17 sowie die
Stromabführungsleitungen sind in Fig. 3 nicht im einzelnen
wiedergegeben, jedoch entsprechend der ersten Ausführungs
form vorhanden.
Auch bei dieser zweiten Ausführungsform sind seitlich des
Solarmoduls 24 Seitenspiegel 25 angeordnet, die in gleicher
Weise eine optimale Strahlungsausnutzung sicherstellen. Es
werden somit auch hier Sonnenstrahlen 11 eingefangen, die
andernfalls die Oberfläche der einzelnen Solarzellenele
mente 24a nicht erreichen würden.
Infolge der parallel einfallenden Sonnenstrahlen 11 ergibt
sich auf der der Sonne abgewandten Seite des Solarmoduls 24
ein Schattenbereich 26. Da aus dem Schattenbereich 26 kei
nerlei Sonnenstrahlen 11 zu reflektieren sind, ist die
Anordnung eines Spiegels in diesem Bereich überflüssig. Da
her besteht gemäß dieser Ausführungsform das Reflektions
element aus zwei Teilspiegeln 27 und 28, die sich auf den
beiden Seiten des Schattenbereiches 26 anschließen. Dies
führt zu einer Vereinfachung bei der Herstellung und
dementsprechend zu einer Kosteneinsparung.
Die Anzahl der zueinander winkligen Solarzellenelemente 24a
ist beliebig, sollte jedoch geradzahlig sein. Bei einer
solchen geradzahligen Anordnung liegt an der dem Schatten
bereich 26 zentral gegenüberliegenden Stelle eine Freiflä
che 29, die keine photovoltaischen Elemente aufweist, so
daß der Schattenbereich 26 als Reflektionsbereich ausfällt.
Je höher die Anzahl der Solarzellenelemente 24a ist, umso
stärker ist die Annäherung der Gesamtoberfläche an den
entsprechenden Brennzylinder und umso gleichmäßiger die
auftreffende Strahlung. Es sind jedoch hier entsprechende
wirtschaftliche Grenzen gesetzt.
Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei den zeichneri
schen Darstellungen lediglich um eine schematische Wieder
gabe. Die Spiegel 10 bzw. 27, 28 sind starr mit den jewei
ligen Solarmodulen 13 bzw. 24 verbunden. Sie können über
einen im einzelnen nicht dargestellten motorischen Antrieb
als Gesamteinheit der Sonne nachgeführt werden. Es ist auch
möglich, mehr als zwei Teilspiegel 27, 28 vorzusehen, und
es kann auch jeder Teilspiegel eigens justierbar ausgebil
det sein.
Claims (9)
1. Solarkraftwerk mit photovoltaischen, gekühlten Solarmodulen
(13 bzw. 24), die von einzelnen Solarzellenelementen (13a
bzw. 24a) gebildet und von durch langgestreckte, rinnenförmige Hohlspiegel konzentrierten
Sonnenstrahlen angestrahlt sind, wobei der mit dem Solarmo
dul (13 bzw. 24) fest verbundene Hohlspiegel (10; 27, 28)
dem Lauf der Sonne nachführbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Solarmodul (13 bzw. 24) an seinen beiden Enden zu seiner Oberflä
che geneigte Seitenspiegel (22, 23, 25) trägt, über welche die
aus den Randbereichen des Hohlspiegels (10, 27, 28) re
flektierten Strahlen (11) auf die Oberfläche des Solarmo
duls führbar sind.
2. Solarkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Neigung der Seitenspiegel (22, 23, 25) zur
Oberfläche des Solarmoduls (13) etwa bei α = 120° liegt.
3. Solarkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Seitenspiegel (22, 23, 25) im wesent
lichen trapezförmig ausgebildet sind und sich von der
Breite des Solarmoduls (13) ausgehend zum Hohlspiegel (10,
27, 28) hin erweitern.
4. Solarkraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Solar
moduls (13) einem zur Brennlinie des Hohlspiegels (27, 28)
konzentrischen Zylinder angenähert ist.
5. Solarkraftwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Oberfläche des Solarmoduls (24) aus zueinander
winklig angeordneten ebenen Solarzellenabschnitten (24a)
besteht, deren Ausrichtung einem zur Brennlinie (12) des
Hohlspiegels (27, 28) konzentrischen Zylinder angenähert
ist.
6. Solarkraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (27, 28)
im Bereich des durch das Solarmodul (13) verursachten
Schattenwurfes einen Ausschnitt (26) aufweist.
7. Solarkraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel aus wenig
stens zwei Teilen (27, 28) besteht.
8. Solarkraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß jeder einzelne Teilspiegel (27, 28) eigens ein
stellbar ist.
9. Solarkraftwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß eine gerade Zahl gleichgroßer
ebener Solarzellenabschnitte (24a) vorgesehen ist.
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