DE4405650C1 - Solarkraftwerk mit photovoltaischen, gekühlten Solarmodulen - Google Patents

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.