Patentanmeldung Patent application
Bezeichnung der ErfindungName of the invention
Solarmodul für die hybride Nutzung der Sonnenstrahlung und SolarmodulanordnungSolar module for the hybrid use of solar radiation and solar module arrangement
Beschreibungdescription
(01) Die Erfindung betrifft ein Solarmodul für die Nutzung der Sonnenstrahlung zur Erzeugung von Strom oder Strom und Wärme. Dieses Solarmodul besitzt neben der effektiven, bzw. hybrider Energieumwandlung eine relativ lineare Kennlinie mit steilem Anstieg und Abfall und erzeugt eine höhere Arbeit durch ein Nachführ- und Konzentrationssystem.(01) The invention relates to a solar module for the use of solar radiation for generating electricity or electricity and heat. This solar module has, in addition to the effective, or hybrid energy conversion, a relatively linear characteristic with steep rise and fall and produces a higher work through a tracking and concentration system.
Stand der TechnikState of the art
(02) Die Energieausbeute von Solarzellen (Photovoltaikzellen) liegt derzeit bei nur max. 16 %. Zur Steigerung der Energieausbeute sind neben der Verbesserung der Effektivität der Solarzellen auch verbesserte konstruktive Lösungen für die Baueinheiten entwickelt worden.(02) The energy yield of solar cells (photovoltaic cells) is currently only at max. 16%. In addition to improving the efficiency of the solar cells, improved constructive solutions for the building units have also been developed to increase the energy yield.
(03) Es ist bekannt, dass durch Kühlen der Solarzellen die Leistung gesteigert werden kann. Eine größere praktische Anwendung erfolgte bisher aber nur in Verbindung mit der Abwärmenutzung, da der technische Aufwand im Verhältnis zur
Leistungssteigerung hoch ist. Diese Baueinheiten werden als Kombisolarmodule, bzw. Hybridsysteme bezeichnet. Hier wird mittels eines Wärmeableitungssystems gleichzeitig die Wärme des Kühlkreislaufs genutzt (DE 19651226 Al, DE 29615560 U u. a.). Die praktischen Konstruktionen hierzu sind ebenfalls relativ aufwendig. Bei den bekannten flachen Photovoltaikbaueinheiten wird ein Kühlmedium (Luft, Wasser, Spezialfluid) frei bzw. durch Leitungen unterhalb der Solarzellen nach außen abgeführt. Dort wird die Wärme durch Wärmetauscher für die Nutzung entzogen.(03) It is known that by cooling the solar cells, the performance can be increased. However, a larger practical application was previously only in connection with the use of waste heat, since the technical complexity in relation to Performance increase is high. These units are referred to as Kombisolarmodule, or hybrid systems. Here, the heat of the cooling circuit is simultaneously used by means of a heat dissipation system (DE 19651226 A1, DE 29615560 U, etc.). The practical designs for this are also relatively expensive. In the known flat Photovoltaikbaueinheiten a cooling medium (air, water, special fluid) is discharged freely or through lines below the solar cell to the outside. There, the heat is removed by heat exchangers for use.
(04) Röhrenbauformen werden bisher nur für Kollektoren zur Wärmegewinnung (Sonnenkollektoren) genutzt. In der Praxis besteht eine Einheit aus mehreren nebeneinander angeordneten Röhren mit einem inneren Vakuum, in diesen befestigten Reflektoren und zentral angeordneten Leitungen für die Wärmeträgerflüssigkeit. Zur Verbesserung der Wärmeableitung von den Kollektorflächen werden derzeit auch seit längerem bekannten sogenannte Heatpipes eingesetzt. Diese ersetzen die bisher üblichen Kühlleitungen im Kollektor, erfordern aber zusätzliche Wärmetauscher zur außen liegenden Hauptleitung. Bei den bekannten feststehenden Sonnenkollektoren ist dieses technisch unproblematisch.(04) Tube designs are currently only used for collectors for heat generation (solar collectors). In practice, a unit consists of several juxtaposed tubes with an internal vacuum, in these fixed reflectors and centrally located lines for the heat transfer fluid. To improve the heat dissipation from the collector surfaces are also known for a long time known so-called heat pipes used. These replace the usual cooling lines in the collector, but require additional heat exchanger to the outside main line. In the known stationary solar panels this is technically unproblematic.
(05) Zur Verbesserung der Energieausbeute sind für beide Nutzungssysteme Nachführungen bekannt. Durch mechanische Antriebe in Verbindung mit schwenkbar gelagerten Kollektoren bzw. Photovoltaikbaueinheiten und einer Steuereinheit werden diese dem Sonnenlauf nachgeführt. Damit ist eine ständig optimale Stellung der Kollektoren, bzw. Solarzellen zur Sonne und damit eine höhere und gleichmäßigere Energieausbeute möglich. Die Nachführungen sind allerdings technisch aufwendig und erfordern durch die Bewegung der gesamten Anlage viel Bauraum und Energie. Die Bauteile sind der Umwelt und damit einem höheren Verschleiß ausgesetzt (US PS 4,723,535). Das Gleiche gilt für die Variante gemäß der US PS 4,388,481, mehrere freistehende, bewegliche Reflektoren
nachzuführen. An vielen Einsatzorten, wie z. B. auf Hausdächer, werden diese deshalb nicht verwendet.(05) In order to improve the energy yield, tracking systems are known for both utilization systems. By mechanical drives in conjunction with pivotally mounted collectors or photovoltaic assemblies and a control unit they are tracked to the sun. This is a constantly optimal position of the collectors, or solar cells to the sun and thus a higher and more uniform energy yield possible. However, the trackers are technically complex and require by the movement of the entire system a lot of space and energy. The components are exposed to the environment and thus a higher wear (US PS 4,723,535). The same applies to the variant according to US Pat. No. 4,388,481, several freestanding, movable reflectors to track. In many locations, such as. B. on rooftops, these are therefore not used.
(06) In der DE 197 09 653 Al wird ein Kombi-Solarelement vorgeschlagen, dass im Gehäuse, eine lichtdurchlässige Röhre, eine Vielzahl von Prismen besitzt, die einfallendes Licht auf das Wärmerohr und die Solarzellen leiten. Dieses Gehäuse ist durch die Prismenstruktur kostenaufwendig und ermöglicht nur eine begrenzt verbesserte Erfassung der Sonnenstrahlung. Außerdem beschattet das Wärmerohr die Solarzellen. Gemäß der DE 43 38 735 Al ist in einer Vakuumröhre ein abgewinkelter Reflektor angeordnet, der das Sonnenlicht anteilig auf ein Kollektorblech und auf Photovoltaikzellen lenkt. Die gesamte Vakuumröhre ist drehbar gelagert und wird durch Verschwenken dem Sonnenstand nachgeführt, was bekanntlich aufwendig ist. Durch die Aufteilung der Sonneneinstrahlung wird jeweils nur dieser Anteil für die Wärme-, bzw. Stromerzeugung genutzt.(06) In DE 197 09 653 Al a combined solar element is proposed that in the housing, a translucent tube, a plurality of prisms has that direct incident light on the heat pipe and the solar cell. This housing is expensive due to the prism structure and allows only a limited improvement in the detection of solar radiation. In addition, the heat pipe shadows the solar cells. According to DE 43 38 735 Al, an angled reflector is arranged in a vacuum tube, which directs the sunlight proportionally to a collector plate and photovoltaic cells. The entire vacuum tube is rotatably mounted and tracked by pivoting the sun, which is known to be expensive. Due to the distribution of solar radiation only this proportion is used for the production of heat or power.
(07) Es sind auch Kombinationen von Solarmodule zur Stromerzeugung mit Windkraftanlagen bekannt. Die Solarmodule in Form flächiger Elemente sind am Turm oder auf Gebäuden am Turm angeordnet. Beide Einheiten ergänzen sich teilweise, da häufig bei Schwachwind eine größere Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Weiterhin werden vorhandene Flächen und Leitungsnetze effektiver genutzt.(07) Combinations of solar modules for power generation with wind turbines are also known. The solar modules in the form of flat elements are arranged on the tower or buildings on the tower. Both units complement each other partially, as often in low wind, a greater sunlight is available. Furthermore, existing areas and networks are used more effectively.
Gemäß der DE 10 2005 054 645 Al sind die Solarmodule an mehreren Befestigungsvorrichtungen angeordnet, die an Führungs- und Lastringbahnen befestigt sind. Diese sind parallel übereinander an einem Turm verankert. Die Solarmodule sind gegenüber dem Turm geneigt und umfassen diesen bis max. 180° Umfang. Mittels Antriebe können die Befestigungsvorrichtungen der Sonnenbahn nachgeführt werden. Nachteilig sind das große Gewicht und der Strömungswiderstand der Konstruktion für die Standfestigkeit des Turmes. Die erforderlichen Wartungsarbeiten in größeren Höhen am äußeren Turm sind nur mit viel Aufwand zu realisieren.
Aufgabe der ErfindungAccording to DE 10 2005 054 645 Al, the solar modules are arranged on a plurality of fastening devices, which are fastened to guide and Lastringbahnen. These are anchored parallel to each other on a tower. The solar modules are inclined with respect to the tower and include this up to max. 180 ° circumference. By means of drives, the fastening devices of the sun track can be tracked. Disadvantages are the great weight and the flow resistance of the construction for the stability of the tower. The required maintenance work at higher altitudes on the outer tower can only be realized with great effort. Object of the invention
(08) Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den technischen Aufwand für ein Solarmodul für die hybride Nutzung von Sonnenstrahlung bei der Nachführung zur Sonnenbahn zu senken und die Solarkennlinie im weiten Bereich möglichst linear zu halten, die Stromausbeute durch eine gezielte Konzentration der Sonneneinstrahlung und bessere Kühlung zu steigern und bei hybrider Nutzung die Wärmeausbeute zu erhöhen.(08) The object of the invention is therefore to reduce the technical complexity of a solar module for the hybrid use of solar radiation in the tracking of the orbit and to keep the solar characteristic in a wide range as linear as possible, the current efficiency through a targeted concentration of solar radiation and better Increase cooling and increase the heat yield in hybrid use.
Eine weitere Aufgabe ist die Ermöglichung einer strömungsgünstigen und leichten Anordnung von Solarmodule an Außenfassaden von Bauwerken und Türmen unter Einbeziehung einer Nachführung zur Sonnenbahn.Another object is to enable a streamlined and easy arrangement of solar modules on the outer facades of buildings and towers, including a tracking to the sun.
(09) Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach sind in bzw. an einem lichtdurchlässigen röhrenförmigen Gehäuse (1) Drehlagerungen (5) angeordnet. Die Photovoltaikzellen ( 9) mit Träger, gegebenenfalls darunter befestigten Kühlelemente ( 6) und sich längs der Photovoltaikzellen ( 9) erstreckende Reflektoren (7 ) sind mindestens teilweise miteinander verbunden. Einige oder alle Elemente (6, 7, 9, 10) sind an der Drehlagerung (5) schwenkbar gelagert. Ein Antrieb (4) mit Steuereinheit ist mit diesen Elementen (6, 7, 9, 10) gekoppelt, so dass diese Elemente (6, 7, 9, 10) der Sonnenbahn nachführbar sind, wobei das Gehäuse (1) feststeht.(09) According to the invention, the object is achieved with the features of claim 1. Thereafter, rotary bearings (5) are arranged in or on a light-transmitting tubular housing (1). The photovoltaic cells (9) with carriers, possibly under cooling elements (6) and extending along the photovoltaic cells (9) extending reflectors (7) are at least partially interconnected. Some or all elements (6, 7, 9, 10) are pivotally mounted on the pivot bearing (5). A drive (4) with control unit is coupled to these elements (6, 7, 9, 10), so that these elements (6, 7, 9, 10) of the sun track can be tracked, wherein the housing (1) is fixed.
(010) Diese Erfindung ermöglicht eine kostengünstige Nachführung. Nur die relativ leichten Elemente im Gehäuse müssen bewegt werden, wodurch die Nachführung preiswerter gefertigt werden kann und weniger Energie für die Nachführung erforderlich ist. Diese jetzt geringe Bewegungsenergie kann direkt von den Photovoltaikzellen abgenommen werden. Es entfällt der Netzanschluss sowie die Antriebe, das Gestell und die Lagerung einer großen Anlage. Alle beweglichen Elemente sind geschützt im Gehäuse angeordnet, benötigen minimale Wartung und besitzen eine hohe Lebensdauer. Die
Montage der Nachführung erfolgt in der Fertigung und nicht mehr vor Ort. Weiterhin wird ein sehr hoher Anteil der direkten und ein Teil der diffusen Sonneneinstrahlung durch die Reflektoren auf die Photovoltaikzellen (9) gelenkt. Die höhere Konzentration der Sonneneinstrahlung auf die Photovoltaikzellen ( 9) bringt auch mehr Wärme ein. Durch die Kühlung wird die Arbeit der Photovoltaikzellen ( 9) effektiver und gleichzeitig mehr eingestrahlte Wärme zur weiteren Nutzung gewonnen. Es ergibt sich insgesamt eine größere als bisher mögliche Energieausbeute mit einer im weiten Bereich linearen Kennlinie .(010) This invention enables cost-effective tracking. Only the relatively light elements in the housing must be moved, whereby the tracking can be made cheaper and less energy for tracking is required. This now low kinetic energy can be taken directly from the photovoltaic cells. It eliminates the mains connection and the drives, the frame and the storage of a large system. All moving elements are protected in the housing, require minimal maintenance and have a long service life. The Mounting of the tracking takes place during production and no longer on site. Furthermore, a very high proportion of the direct and part of the diffuse solar radiation is directed by the reflectors onto the photovoltaic cells (9). The higher concentration of solar radiation on the photovoltaic cells (9) also brings in more heat. By cooling the work of the photovoltaic cells (9) is more effective and at the same time won more irradiated heat for further use. Overall, this results in a greater than previously possible energy yield with a linear characteristic over a wide range.
(011) In den Unteransprüchen 2 bis 5 sind besonders günstige Lösungsvarianten für die Lagerung der beweglichen Elemente für kurze und längere Solarmodule aufgezeigt.(011) In the dependent claims 2 to 5 particularly favorable solution variants for the storage of the movable elements for short and longer solar modules are shown.
Das Solarmodul nach Anspruch 2 besitzt zwei Positionsstege (2) , die radial im Gehäuse (1) im Bereich der Stirnwände fest angeordnet sind. An diesen ist je eine Drehlagerung (5) annähernd mittig befestigt und in den Drehlagerungen (5) zwei Nachführungshalterungen (3) gelagert. Daran sind die Enden der Reflektoren (7) , Träger (10) mit Photovoltaikzellen ( 9) und darunter angeordnete Kühlelemente (6) befestigt. An einem der Positionsstege (2) ist der Antrieb (4) befestigt, der mit der Nabe einer Nachführungshalterung (3) in Eingriff steht. Die Elemente bilden durch die Verbindung der Reflektoren (7 ), Träger (10) mit Photovoltaikzellen ( 9) und darunter angeordnete Kühlelemente (6) eine leichte aber stabile Baueinheit und können vormontiert in das Gehäuse eingebracht werden. Alle Elemente (6, 7, 9, 10) werden der Sonnenbahn nachgeführt. Die bevorzugte Ausführung nach Anspruch 3 ist länger und besitzt deshalb mehrere Positionsstege (2) , die mit Abstand radial im Gehäuse (1) fest angeordnet sind. Dadurch wird eine ausreichende Stabilität erzielt.The solar module according to claim 2 has two position webs (2) which are fixedly arranged radially in the housing (1) in the region of the end walls. At each of these a pivot bearing (5) is approximately centrally mounted and in the pivot bearings (5) two Nachführungshalterungen (3) stored. The ends of the reflectors (7), supports (10) with photovoltaic cells (9) and cooling elements (6) arranged underneath are fastened thereto. On one of the position webs (2) of the drive (4) is fixed, which is in engagement with the hub of a Nachführungshalterung (3). The elements form by the connection of the reflectors (7), support (10) with photovoltaic cells (9) and arranged below cooling elements (6) a light but stable unit and can be pre-assembled in the housing. All elements (6, 7, 9, 10) track the sun orbit. The preferred embodiment according to claim 3 is longer and therefore has a plurality of position webs (2), which are fixedly arranged at a distance radially in the housing (1). As a result, sufficient stability is achieved.
Gemäß Anspruch 4 sind an/in den Stirnwänden des Gehäuses (1) je ein Drehlager (5) mit darin zentrisch gelagertem Dichtungskörper angeordnet, in die eine im Gehäuse (1) liegende Welle geführt ist. Durch den sich mitdrehenden Dichtungskörper
können die unter dem Träger (10) mit Photovoltaikzellen (9) angeordnete Heatpipes (11) nach außen geführt werden. Weiterhin ist auch ein äußerer Antrieb über die Welle möglich. Eine drehbare Abdeckkappe an der äußeren Stirnwand des Gehäuses (1) dichtet den Innenraum ab.In accordance with claim 4, a pivot bearing (5) with sealing bodies mounted centrally therein are arranged on / in the end walls of the housing (1) into which a shaft lying in the housing (1) is guided. By the co-rotating seal body For example, the heat pipes (11) arranged under the carrier (10) with photovoltaic cells (9) can be led to the outside. Furthermore, an external drive via the shaft is possible. A rotatable cap on the outer end wall of the housing (1) seals the interior.
Entsprechend der bevorzugten Ausführung nach Anspruch 5 sind nur die Reflektoren (7) drehbar gelagert, die anderen Elemente aber fest angeordnet. Die stationären Kühlelemente (6) bzw. Heatpipes (11) können somit durch die fest angeordneten Stirnwände nach außen geführt werden.According to the preferred embodiment according to claim 5, only the reflectors (7) are rotatably mounted, the other elements but fixed. The stationary cooling elements (6) or heat pipes (11) can thus be guided through the fixed end walls to the outside.
(012) Die Unteransprüche 6 bis 14 enthalten bevorzugte Ausführungsformen für die Anordnung der Reflektoren und deren Bezug auf die Gehäuseform.(012) The subclaims 6 to 14 contain preferred embodiments for the arrangement of the reflectors and their relation to the housing shape.
Durch einen ovalen bis elliptischen Querschnitt des lichtdurchlässigen röhrenförmigen Gehäuses (1) gemäß Anspruch 6 wird der Innenraum effektiver genutzt. Bei fest gelagertem Träger (10) mit Photovoltaikzellen (9) sind die beweglichen Reflektoren (7 ) im Bereich der Ebene der kleinen Durchmesser angeordnet. Parallel zu der Ebene der größten Durchmesser liegt der Träger(lO) mit den Photovoltaikzellen ( 9) . Dessen Breite erstreckt sich mit der Breite der Reflektoren (7) in der Endstellung im größten Durchmesserbereich.By an oval to elliptical cross section of the translucent tubular housing (1) according to claim 6, the interior space is used more effectively. In fixedly mounted carrier (10) with photovoltaic cells (9), the movable reflectors (7) are arranged in the region of the plane of the small diameter. Parallel to the plane of the largest diameter of the carrier (lO) with the photovoltaic cells (9). Whose width extends with the width of the reflectors (7) in the end position in the largest diameter range.
Entsprechend der bevorzugten Ausführung nach Anspruch 7 sind die streifenförmigen Reflektoren (7 ) beidseitig, längs an dem Träger (10) mit Photovoltaikzellen ( 9) befestigt. Mit der Fläche der Photovoltaikzellen ( 9) schließen diese einen Winkel von 100° bis 120° ein, abhängig vom Verhältnis der Breite des Trägers (10) der Photovoltaikzellen (9) zur Höhe der Reflektoren (7). Die Sonneneinstrahlung auf die Photovoltaikzellen ( 9) wird damit um die seitlich neben den Photovoltaikzellen ( 9) und einen Teil der diffus auftreffenden Anteile erhöht. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform nach Anspruch 8 besitzen die streifenförmigen Reflektoren (7 ) eine Höhe von mindestens der doppelten Breite des Trägers der Photovoltaikzellen (9) und im Höhenbereich von etwa der halben und einfa-
chen Breite des Trägers mit Photovoltaikzellen ( 9) eine zusätzliche Abwinklung (8 ) nach innen. Alle auf die hohen Reflektoren (7 ) einfallenden Sonnenstrahlen werden dadurch auf die Photovoltaikzellen (9) reflektiert.According to the preferred embodiment of claim 7, the strip-shaped reflectors (7) on both sides, longitudinally fixed to the support (10) with photovoltaic cells (9). With the surface of the photovoltaic cells (9), these enclose an angle of 100 ° to 120 °, depending on the ratio of the width of the carrier (10) of the photovoltaic cells (9) to the height of the reflectors (7). The solar radiation on the photovoltaic cells (9) is thus increased by the laterally adjacent to the photovoltaic cells (9) and part of the diffuse impinging portions. According to a further embodiment according to claim 8, the strip-shaped reflectors (7) have a height of at least twice the width of the support of the photovoltaic cells (9) and in the height range of about half and simple chen width of the carrier with photovoltaic cells (9) an additional bend (8) to the inside. All incident on the high reflectors (7) sun rays are thereby reflected on the photovoltaic cells (9).
(013) Nach Anspruch 9 sind mindestens zwei streifenförmige, konkave Reflektoren (7 ) mit einem Abstand zueinander zur Bildung einer Lichteinfallzone längs über dem Träger (10) mit Photovoltaikzellen ( 9) schwenkbar befestigt. Die von den Photovoltaikzellen ( 9) , bzw. dem Träger(lO) reflektierten Lichtstrahlen werden dadurch zu diesen zurück reflektiert. Obwohl die Reflektoren den Anteil der um den Bereich 45° von außen einfallenden Lichtstrahlen auf die Photovoltaikzellen durch die Abschattung vermindern, hat sich überraschend gezeigt, dass die Rückreflektion diese Minderung übertrifft. Zusätzlich werden auch stark seitlich einfallende Lichtstrah-. len auf die Photovoltaikzellen reflektiert.(013) According to claim 9, at least two strip-shaped, concave reflectors (7) with a distance from each other to form a light incident zone along the support (10) with photovoltaic cells (9) pivotally mounted. The light rays reflected by the photovoltaic cells (9) or the carrier (10) are thereby reflected back to them. Although the reflectors reduce the proportion of light rays incident on the photovoltaic cells by 45 ° from the outside by the shading, it has surprisingly been found that the back reflection exceeds this reduction. In addition, also strongly incident light beam. reflected on the photovoltaic cells.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Reflektoren (7 ) nach Anspruch 10 sind die streifenförmigen, konkaven Reflektoren^) über die Breite dem Radius der Röhre (1) angepasst. Die Breite ist wiederum in mehrere konkave Teilflächen, jeweils mit dem Brennpunkt auf die Photovoltaikzellen (9) , aufgeteilt. Durch diese Ausbildung wird einerseits eine große Spiegelbreite und trotzdem eine optimale Fokussierung erzielt.According to a preferred embodiment of the reflectors (7) according to claim 10, the strip-shaped, concave reflectors ^) over the width of the radius of the tube (1) are adapted. The width is in turn divided into a plurality of concave subareas, each with the focal point on the photovoltaic cells (9). On the one hand, this design achieves a large mirror width and, nevertheless, optimum focusing.
Gemäß Anspruch 11 beträgt die Breite der konkaven Reflektoren (7) zusammen 60 bis 90 % der Breite des Trägers (10) mit Photovoltaikzellen (9) . In diesem Bereich wird die höchste Gesamtstrahlung auf die Photovoltaikzellen ( 9) erzielt.According to claim 11, the width of the concave reflectors (7) together 60 to 90% of the width of the carrier (10) with photovoltaic cells (9). In this area, the highest total radiation is achieved on the photovoltaic cells (9).
Entsprechend einer bevorzugten Ausführung nach Anspruch 12 sind die konkaven Reflektoren (7 ) mit eigenen Schwenkantrieben oder mit dem Antrieb des Trägers (10) mit Photovoltaikzel¬ len (9) verbunden. Das ermöglicht unabhängig voneinander oder gemeinsam dem Sonnenstand nachführbare Einheiten. Je nach Einbaulage des Solarmoduls kann somit die Nachführung vari¬ iert werden.
(014) Gemäß Anspruch 13 bestehen der Träger (10) der Photovoltaikzellen(9) und die Reflektoren (7 ) aus einem einzigen, flachen, mehrfach abgewinkeltem Element. Das wannenför- mige Profil ist preiswert aus mit einer Spiegelfläche beschichtetem dünnen Blech oder Kunststoff herzustellen und besitzt eine ausreichende Steifigkeit. Die Photovoltaikzel- len(9) und Kühlelemente ( 6) sind z. B. durch Kleben an diesem befestigt .According to a preferred embodiment according to claim 12, the concave reflectors (7) with their own rotary actuators or with the drive of the carrier (10) with Photovoltaikzel ¬ len (9). This makes it possible to independently track or track units that can be tracked by the sun. Depending on the installation position of the solar module tracking vari ¬ ated thus be. (014) According to claim 13, the support (10) of the photovoltaic cells (9) and the reflectors (7) consist of a single, flat, multiply angled element. The trough-shaped profile is inexpensive to produce with a mirror surface coated thin sheet or plastic and has sufficient rigidity. The photovoltaic cells (9) and cooling elements (6) are z. B. attached by gluing to this.
In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 14 sind an den inneren Stirnwänden des Gehäuses (1) Reflektorflächen angeordnet, die mit der Fläche der Photovoltaikzellen ( 9) einen Winkel von 140° bis 150° einschließen. Die Reflektorflächen ermöglichen unabhängig von der Höhe des Sonnenstandes eine Reflexion der diffusen und direkten Sonneneinstrahlung von den inneren Stirnwänden des Gehäuses (1) auf die Photovoltaikzellen (9) .In a preferred embodiment according to claim 14 reflector surfaces are arranged on the inner end walls of the housing (1), which form an angle of 140 ° to 150 ° with the surface of the photovoltaic cells (9). Irrespective of the altitude of the sun's position, the reflector surfaces allow a reflection of the diffuse and direct solar radiation from the inner end walls of the housing (1) onto the photovoltaic cells (9).
(015) Der spezielle Einsatz von Heatpipes in Solarmodulen und die konstruktiven Varianten dafür sind im Nebenanspruch 15 und den Unteransprüchen 16 bis 18 enthalten. Entsprechend Anspruch 15 sind in einem lichtdurchlässigen röhrenförmigen Gehäuse, längs auf einem Träger Photovoltaikzellen und Kühlelementen angeordnet, wobei als Kühlelement ( 6) mindestens eine Heatpipe(ll) angeordnet ist. Die Kondensati¬ onszone der Heatpipe(ll) liegt dabei entweder außerhalb des Gehäuses (1) und ist dort mit Kühlflächen oder Wärmetauschern verbunden oder ist mit einem Wärmetauscher/Wärmeleiter innerhalb des Gehäuses (1) verbunden, der nach außerhalb des Gehäuses (1) geführt ist. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Heatpipes wird erstmalig zur Kühlung von Photovoltaikzellen in einem Gehäuse genutzt. Die hohe Wärmekonzentration auf den Photovoltaikzellen, bedingt durch die Reflektoren, wird dadurch ausgeglichen. Die außen liegende Kondensationszone leitete die größere Wärmemenge sicher nach außen ab und kann dort verwertet oder an die Umgebung abgegeben werden.
(016) Zur Verstärkung der Kühlung und Wärmeausbeute sind gemäß Anspruch 16 unter dem, bzw. im Träger (10) der Photovol- taikzellen (9) und an den Reflektoren (7 ) je eine oder mehrere Heatpipes (11) angeordnet.(015) The special use of heat pipes in solar modules and the structural variants thereof are contained in the independent claim 15 and the dependent claims 16 to 18. According to claim 15 are arranged in a translucent tubular housing, along a support photovoltaic cells and cooling elements, wherein as the cooling element (6) at least one heat pipe (ll) is arranged. The Kondensati ¬ onszone of the heat pipe (ll) is either outside of the housing (1) and is connected there with cooling surfaces or heat exchangers or is connected to a heat exchanger / heat conductor within the housing (1), which led to the outside of the housing (1) is. The high thermal conductivity of heatpipes is used for the first time for cooling photovoltaic cells in a housing. The high heat concentration on the photovoltaic cells, due to the reflectors, is thereby compensated. The outer condensation zone derived the larger amount of heat safely to the outside and can be recycled there or delivered to the environment. (016) In order to enhance the cooling and heat yield, one or more heat pipes (11) are arranged underneath or in the support (10) of the photovoltaic cells (9) and on the reflectors (7).
In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 17 sind alle Heatpipes (11) mit der Kondensationszone im Bereich einer Drehlagerung (5) durch eine dichtende Rohrdurchführung in der Stirnwand des Gehäuses (1) nach außen geführt und dort mit Kühlflächen oder Wärmetauschern verbunden. Diese Ausführung ermöglicht ein dichtes Gehäuse, obwohl die Heatpipes zusammen mit den anderen Elementen eine lfd. Drehbewegung ausführen.In a preferred embodiment according to claim 17, all heat pipes (11) with the condensation zone in the region of a rotary bearing (5) through a sealing pipe feedthrough in the end wall of the housing (1) led to the outside and connected there with cooling surfaces or heat exchangers. This design allows for a sealed housing, although the heatpipes, together with the other elements, make one continuous rotation.
Die Ausführungsform nach Anspruch 18 betrifft einen feststehenden Träger (10) mit Photovoltaikzellen (9) gemäß Anspruch 5. Da nur die Reflektoren der Sonne nachgeführt werden, sind die Heatpipes am Träger ebenfalls fest gelagert und werden mittels einfacher abdichtender Rohrdurchführungen in der Stirnwand des Gehäuses (1) nach außen geführt.The embodiment according to claim 18 relates to a fixed support (10) with photovoltaic cells (9) according to claim 5. Since only the reflectors of the sun are tracked, the heatpipes are also fixedly mounted on the support and by means of simple sealing pipe penetrations in the end wall of the housing ( 1) led to the outside.
(017) Die Unteransprüche 19 bis 22 enthalten bevorzugte Ausführungen zum Antrieb und zur Steuerung der Nachführung.(017) The subclaims 19 to 22 contain preferred embodiments for driving and for controlling the tracking.
In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 19 ist als Antrieb (4) für die Nachführung der Elemente (6, 7, 9, 10) zur Sonnenbahn ein Motor mit Getriebe in der Ausführung als Solar- Gleichstrom - Niederspannungs - Elektromotor angeordnet. Das ermöglichen die leichten und im Gehäuse geschützten Elemente (6, 7, 9, 10). Dieser preiswerte Niederspannungs- Elektromotor, wird direkt von den Solarzellen mit Strom versorgt .In a preferred embodiment according to claim 19 is as a drive (4) for the tracking of the elements (6, 7, 9, 10) to the sun orbit a motor with gear in the design as a solar DC - low voltage - arranged electric motor. This is made possible by the lightweight elements protected in the housing (6, 7, 9, 10). This low-cost, low-voltage electric motor is powered directly by the solar cells.
Gemäß der Ausführung nach Anspruch 20 sind einige zusätzliche Photovoltaikzellen (9) im Gehäuses (1) mit einem Kondensator verbunden, um Strom zur Rückbewegung von West nach Ost bereit¬ zustellen. Durch diese Lösung wird die erforderlich Rückbewe¬ gung zur morgendlichen Ausgangslage mit einfachen Mitteln erreicht .
Der Anspruch 21 betrifft eine bevorzugte Lösung zur Nachführung der Sonnenbewegung, bzw. Erdrotation. Diese ist gekennzeichnet durch zusätzliche, kegelförmig angeordneten Photo- voltaikzellen (9) im Gehäuse (1), welche die Lage des jeweiligen Sonnenstandes durch die Spannungsdifferenzen dieser Zellen darstellen, so das direkt der Motorstrom des Antriebes (4) steuerbar ist.According to the embodiment of claim 20 some additional photovoltaic cells (9) in the housing (1) are connected to a capacitor to provide current to determine return movement of West to East ¬. Through this solution, the required Rückbewe ¬ supply is achieved during the morning starting position with simple means. The claim 21 relates to a preferred solution for tracking the solar movement, or earth rotation. This is characterized by additional, conically arranged photovoltaic cells (9) in the housing (1), which represent the position of the respective position of the sun by the voltage differences of these cells, so that directly the motor current of the drive (4) is controllable.
Eine weitere Variante nach Anspruch 22 ist gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung für den Antrieb (4) zur Nachführung der Elemente (6, 7, 9, 10) zur Sonnenbahn von Ost nach West entsprechend der astronomischen Zeit, welche den jeweiligen Sonnenstand verkörpert.A further variant according to claim 22 is characterized by a control circuit for the drive (4) for tracking the elements (6, 7, 9, 10) to the orbit from east to west according to the astronomical time, which embodies the respective position of the sun.
(018) Die Ansprüche 23 und 24 enthalten vorteilhafte Anordnungen von Solarmodule an Bauwerke.(018) The claims 23 and 24 contain advantageous arrangements of solar modules to buildings.
Eine bevorzugte Anordnung nach Anspruch 23 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Solarmodule senkrecht, unmittelbar nebeneinander und übereinander mit Abstand für jeweils einen Leitungskanal für Leitungen für Strom und Abwärme angeordnet sind. Diese Anordnung bewirkt eine relativ glattflächige Außenfassade mit geringer Windlast. Da die Solarmodule eine leicht Nachführung im Gehäuse besitzen, entfällt auch die Belastung der Außenfassade durch zusätzliche Konstruktionen. Ein weiterer Vorteil an hohen Außenfassaden und Türmen für Windkraftanlagen ist die Wartungsarmut. Bei Ausfall eines Solarmoduls kann auch auf eine sofortige Reparatur verzichtet werden. Die Stromausbeute ist trotz der senkrechten Anordnung im Jahresdurchschnitt hoch, da bei niedrigem Sonnenstand ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.A preferred arrangement according to claim 23 is characterized in that the solar modules are arranged vertically, immediately next to each other and one above the other at a distance for each one conduit for lines for electricity and waste heat. This arrangement causes a relatively smooth outer facade with low wind load. Since the solar modules have a slight tracking in the housing, eliminates the burden of the external facade by additional constructions. Another advantage of high external facades and towers for wind turbines is the low maintenance. In case of failure of a solar module can be dispensed with an immediate repair. The current efficiency is high despite the vertical arrangement in the annual average, since at low sunshine high efficiency is achieved.
(019) Gemäß Anspruch 23 sind die Solarmodule auch an der Ost- und Westseite von Außenfassaden angeordnet. Im Gegensatz zur bisher üblichen Südausrichtung ermöglicht die Erfindung auch die effektive Nutzung weiterer Gebäudeflächen. Die senkrechte Anordnung ist bei niedrigem Sonnenstand relativ gut wirksam. Zusätzlich wird durch die Nachführung der Reflektoren und/oder
Photovoltaikzellen auch an Nordost- und Nordwestseiten eine gute Gesamtleistung erzielt.(019) According to claim 23, the solar modules are also arranged on the east and west sides of external facades. In contrast to the usual south orientation, the invention also allows the effective use of other building surfaces. The vertical arrangement is relatively effective at low sun. In addition, by the tracking of the reflectors and / or Photovoltaic cells also achieved good overall performance on northeast and northwest sides.
BeispieleExamples
(020) Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.(020) The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment.
Figur 1 zeigt die räumliche Darstellung eines Endabschnittes eines Solarmoduls,FIG. 1 shows the spatial representation of an end section of a solar module,
Figur 2 eine räumliche Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante mit fest gelagerten Photovoltaikzellen,FIG. 2 is a perspective view of a second embodiment with fixed photovoltaic cells;
Figur 3 den Strahlengang an den Reflektoren,FIG. 3 the beam path at the reflectors,
Fig. 4 eine Gehäuseende mit Drehlagerung und Durchführungen für HeatpipesFig. 4 shows a housing end with pivot bearing and bushings for heat pipes
Fig. 5 ein Diagramm mit Leistungskurven,5 is a diagram with power curves,
Fig. 6 zeigt das Solarmodul im Schnitt zur Längsachse mit einer Spiegelanordnung gegenüber den Photovoltaikzellen,6 shows the solar module in section to the longitudinal axis with a mirror arrangement relative to the photovoltaic cells,
Fig. 7 die Einzelheit eines schwenkbar gelagerten Spiegels,7 shows the detail of a pivotally mounted mirror,
Fig. 8 die senkrechte Anordnung von Solarmodule an der Außenwand eines Turmes im Schnitt undFig. 8 shows the vertical arrangement of solar modules on the outer wall of a tower in section and
Fig. 9 die Seitenansicht der Einzelheit von zwei Solarmodule nach Fig. 89 shows the side view of the detail of two solar modules according to FIG. 8
(021) Gemäß Fig. 1 besitzt das Solarmodul ein Gehäuse 1, dass aus einem lichtbeständigen, durchsichtigen Kunststoffröhr besteht. Die stirnseitigen Öffnungen sind durch eingesetzte Stirnwände dicht verschlossen. An den beiden Enden des Kunst- stoffrohres, ohne Verbindung zu den Stirnwänden, ist je ein Positionssteg 2 eingesetzt. Dieser ist durch ein leichtes Übermaß gegenüber dem Rohrdurchmesser festgesetzt oder ver¬ klebt. In der Mitte des Positionssteges 2 befindet sich zent¬ risch zum Kunststoffröhr je eine Drehlagerung 5. Da in dieser
nur eine langsame, begrenzte Schwenkbewegung mit geringer(021) According to FIG. 1, the solar module has a housing 1 which consists of a light-resistant, transparent plastic tube. The frontal openings are tightly closed by inserted end walls. At the two ends of the plastic tube, without connection to the end walls, a respective positioning web 2 is inserted. This is fixed by a slight excess over the pipe diameter or ver ¬ sticks. In the center of the position bar 2 is zent ¬ risch to the plastic tube ever a pivot bearing 5. Since in this only a slow, limited swing with less
Belastung ausführt wird, sind einfachste Bauformen wie Gleitlager ausreichend. Das kann ein Plastering oder gesinterter Ring mit Dauerschmierstoff sein. Durch dieses Gleitlager ist eine nicht dargestellte kurze Welle geführt, an deren innerem Ende die Nachführungshalterung 3 befestigt ist. Am äußeren Ende ist ein Antrieb 4 gelagert, der sich am Positionssteg 2 abstützt. Der Antrieb besteht aus einem Gleichstrom - Nie- derspannungs - Elektromotor mit einem Untersetzungsgetriebe. Als Spannungsquelle können dadurch zusätzliche Photovoltaik- zellen genutzt werden.Load is performed, the simplest types such as plain bearings are sufficient. This can be a plastic or sintered ring with permanent lubricant. Through this slide bearing a short shaft, not shown, is guided, at the inner end of the Nachführungshalterung 3 is attached. At the outer end of a drive 4 is mounted, which is supported on the position bar 2. The drive consists of a DC low-voltage electric motor with a reduction gearbox. As a voltage source, additional photovoltaic cells can thereby be used.
(022) Die Nachführungshalterung 3 ist kürzer als der Durchmesser des Gehäuses 1. An den Enden sind die oberen Enden der Reflektoren 7 befestigt. Diese bestehen aus einem zweifach abgewinkelten länglichem Blech. Die Länge entspricht dem Abstand der beiden Nachführungshalterungen 3. Die seitlichen Schrägen haben eine größere Höhe als die Breite des Mittelstückes. Die einzelnen Maße sind vom Durchmesser des Gehäuses 1, dem Verhältnis des Mittelstückes zu den Schrägen und dem eingeschlossen Winkel abhängig. Der Winkel beträgt 100 bis 120°. Die Innenseiten sind für eine gute Reflektion geeignet. Im Höhenbereich von etwa der halben und einfachen Breite des Mittelstückes besteht eine zusätzliche Abwinklung (8 ) nach innen. Diese ist wiederum von dem Höhen/Breitenverhältnis abhängig, um die Sonneneinstrahlung auf die Enden der Schrä¬ gen auf das Mittelstück zu reflektieren. Das Mittelstück des Bleches bildet hier den Träger 10 für die Photovoltaikzellen 9.(022) The tracking bracket 3 is shorter than the diameter of the housing 1. At the ends, the upper ends of the reflectors 7 are fixed. These consist of a double angled oblong sheet metal. The length corresponds to the distance between the two Nachführungshalterungen 3. The lateral slopes have a greater height than the width of the middle piece. The individual dimensions depend on the diameter of the housing 1, the ratio of the center piece to the bevels and the included angle. The angle is 100 to 120 °. The insides are suitable for a good reflection. In the height range of about half and simple width of the middle piece is an additional bend (8) inwards. This in turn depends on the height / width ratio in order to reflect the solar radiation onto the ends of the oblique ¬ gene on the middle piece. The center piece of the sheet here forms the carrier 10 for the photovoltaic cells 9.
(023) Unter dem Träger 10 sind längs Kühlelemente 6 befestigt, welche die Wärme aus dem Blech (Reflektoren 7) und Photovol¬ taikzellen 9 ableiten. Die Kühlelemente 6 können als Heatpipes 11 ausgebildet sein. Am nicht dargestellten Ende des Gehäuses 1 sind diese durch die Stirnwand des Gehäuses 1 nach außen geführt. Die Ausbildung der Durchführung kann z. B. gemäß Fig. 4 erfolgen. Hier ist in einer Stirnwand ein Lager mit einem
dichtenden Innenbereich befestigt, durch den die Durchführung erfolgt. Eine äußere Kappe dichtet das Lager ab. Auf die nach außen ragenden Enden der Heatpipes 11 mit dem Kondensationsbereich ist ein Kühler aufgesteckt, der die Wärme an die Umgebung abgibt. Anstatt eines Kühlers kann ein Wärmetauscher angeordnet werden, um die Abwärme weiterzuleiten.(023) Under the support 10 are longitudinally mounted cooling elements 6, which derive the heat from the sheet (reflectors 7) and Photovol ¬ taikzellen 9. The cooling elements 6 may be formed as heat pipes 11. At the end of the housing 1, not shown, they are guided by the end wall of the housing 1 to the outside. The training of implementation may, for. B. in accordance with FIG. 4. Here is in a front wall a warehouse with a attached by a sealing inner area through which the implementation takes place. An outer cap seals the bearing. On the outwardly projecting ends of the heat pipes 11 with the condensation region a cooler is attached, which emits the heat to the environment. Instead of a cooler, a heat exchanger can be arranged to forward the waste heat.
(024) Die beiden Nachführungshalterungen 3 bilden mit den Kühlelementen 6, den Reflektoren 7, Photovoltaikzellen 9 und dem Träger 10 eine fest verbundene Baueinheit. Diese wird zusammen mit den Positionsstegen 2, Drehlagerungen 5 und Antrieb 4 vormontiert in das Gehäuse 1 geschoben und dort fixiert. Abschließende werden die dichtenden Stirnwände aufgesetzt. Die Nachführbewegung zum Sonnenstand erfolgt durch den Antrieb 4, der die genannte Baueinheit verschwenkt. Die Nachführungslage wird zeitabhängig geregelt. Die Energie bezieht der Antrieb direkt von zusätzlichen, kegelförmig angeordneten Photovoltaikzellen oder über eine nicht dargestellte Steuerschaltung. Für die Rückbewegung in die morgendliche Ausgangslage ist weiterhin ein Kondensator im Schaltkreis eingeordnet, der zum Sonnenaufgang die erforderliche Energie bereitstellt.(024) The two tracking holders 3 form a permanently connected unit with the cooling elements 6, the reflectors 7, photovoltaic cells 9 and the carrier 10. This is pre-assembled pushed together with the position bars 2, 3 pivot bearings and drive 4 in the housing 1 and fixed there. Finally, the sealing end walls are put on. The tracking movement to the sun is made by the drive 4, which pivots said assembly. The tracking situation is regulated on a time-dependent basis. The energy relates to the drive directly from additional, conically arranged photovoltaic cells or via a control circuit, not shown. For the return to the morning starting position, a capacitor is still arranged in the circuit, which provides the required energy for sunrise.
(025) Die Fig. 8 und 9 zeigen die Anordnung von Solarmodule an einem Turm einer Windkraftanlage. Die Solarmodule sind senkrecht, unmittelbar nebeneinander ringförmig am Turm befestigt. Ausgenommen ist nur die Nordseite. Zwischen jedem beabstande- ten Ring aus Solarmodule ist ein Leitungskanal montiert. Dieser verbindet die Enden aller Solarmodule und enthält die Stromkabel und Leitungen für die Abwärme, die mit der Schalt¬ zentrale am Turm in Verbindung stehen.
[Verzeichnis der Bezugszeichen](025) Figs. 8 and 9 show the arrangement of solar modules on a tower of a wind turbine. The solar modules are vertical, directly next to each other ring-shaped attached to the tower. Excluded is only the north side. Between each spaced ring of solar modules, a duct is mounted. This connects the ends of all solar modules and contains the power cables and pipes for the waste heat, which are in communication with the switching ¬ center on the tower. [List of reference numbers]
1 Gehäuse1 housing
2 Positionssteg2 position bar
3 Nachführungshalterung3 tracking bracket
4 Antrieb4 drive
5 Drehlagerung5 pivot bearing
6 Kühlelemente6 cooling elements
7 Reflektor7 reflector
8 Abwinkelung8 angulation
9 Photovoltaikzellen9 photovoltaic cells
10 Träger10 carriers
11 Heatpipe11 heatpipe
12 Solarmodul12 solar module
13 Leitungskanal13 duct
14 Turm der Windkraftanlage
14 tower of the wind turbine