EP2263049A2 - Konzentrator für solarstrahlung und dessen verwendung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Konzentrat oranordnung für Solarstrahlung, die einen Strahlungsteiler zur Ablenkung von Solarstrahlung mittels Totalreflektion aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie, die einen derartigen Konzentrator und mindestens eine Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie aufweist. Derartige Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie sind beispielsweise Solarzellen, Solarmodule oder thermische Solarkollektoren. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Konzentratoren zur Konzentrierung von Solarstrahlung ebenso wie in Sonnenschutzlamellen.
Description
Konzentrator für Solarstrahlung und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Konzentratoranordnung für Solarstrahlung, die einen Strahlungsteiler zur Ablen- kung von Solarstrahlung mittels Totalreflektion aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie, die einen derartigen Konzentrator und mindestens eine Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie aufweist. Derartige Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie sind beispielsweise Solarzellen, Solarmodule oder thermische Solarkollektoren. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Konzentratoren zur Konzentrierung von Solarstrahlung ebenso wie in Son- nenschutzlamellen.
Seit vielen Jahren gibt es im Bereich der Photovol- taik Ansätze, die Solarstrahlung zu konzentrieren, um die Menge an Solarzellenmaterial zu minimieren und zum anderen höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Das
Prinzip beruht darauf, dass Solarstrahlung mit Spiegeln und/oder Linsen konzentriert und auf spezielle Konzentrator-Solarzellen gerichtet wird. Damit reduziert sich die photovoltaisch aktive Fläche und damit die nötige Menge an teuren Solarzellenmaterialien. Durch die Konzentration der Solarstrahlung, die auf photovoltaisch aktive Flächen einwirkt, lassen sich die Kosten für den Solarstrom senken. Dies gilt insbesondere für Regionen mit hohem Direktstrahlungsan- teil.
Im Stand der Technik werden zur Konzentrierung von Solarstrahlung auf kleinflächige photovoltaisch aktive Flächen lichtbrechende (US 5,977,478) bzw. metal- lisch-reflektierende oder totalreflektierende Elemente (US 2007/0227582) eingesetzt.
Für photovoltaisch aktive Flächen mit größeren Abmessungen, z.B. Standard-Solarzellen mit einer üblichen Fläche von 150 x 150 mm oder Standard-Solarmodulen mit einer typischen Fläche von 1000 x 2000 mm, eignen sich lichtbrechende oder metallisch-reflektierende Elemente nur bedingt, weil sie keine kompakten Anordnungen zulassen. Einseitig strukturierte, lichtbre- chende Fresnel-Linsen ermöglichen beispielsweise lediglich Ablenkwinkel bis maximal 40°. Als Folge ist der Abstand zwischen Linsenebene und Empfängerebene im Vergleich zu der Abmessung der Linse sehr groß.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen kompakten Konzentrator bereitzustellen, der eine deutliche Reduzierung der flächigen Ausdehnung von mit den Kon- zentratoren gekoppelten Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Konzentrator mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und durch die Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiter- bildungen auf. In den Ansprüchen 18 und 19 werden er- findungsgemäße Verwendungen genannt .
Erfindungsgemäß wird ein Konzentrator für Solarstrahlung bereitgestellt, der mindestens einen Strahlungs- teiler zur Ablenkung von Solarstrahlung aufweist. Der Strahlungsteiler weist dabei auf der der Solarstrahlung abgewandten Seite eine Strukturierung auf, die auf den Strahlungsteiler einfallende Solarstrahlung mittels Totalreflektion in zwei verschiedene Richtun- gen ablenkt.
Die erfindungsgemäße Strukturierung der Strahlungsteiler führt zu einer Ablenkung der einfallenden Sonnenstrahlung mit einem hohen Ablenkwinkel, wodurch die aktiven Flächen, über die die Umwandlung der Solarenergie erfolgt, sehr nah an dem Strahlungsteiler angeordnet werden können und somit eine sehr kompakte Anordnung des Moduls ermöglichen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass trotz der flachen Ausführung des erfindungsgemäßen Konzentrators Abschattungsver- luste weitgehend verhindert werden können.
Es ist bevorzugt, dass die Strukturierung aus mehreren sich über die gesamte Fläche periodisch wiederho- lenden Strukturelementen besteht.
Eine andere bevorzugte Alternative sieht vor, dass die Strukturierung aus mehreren sich unterscheidenden Strukturelementen besteht, wobei die einzelnen Struk- turelemente so aufeinander abgestimmt sind, dass eine zumindest teilweise Konzentrierung der abgelenkten
Strahlung auf die aktive Fläche erfolgt.
Die Strukturierung ist vorzugsweise in Form von im Wesentlichen gleichschenkligen Prismen ausgebildet. Dabei können derartige Prismen einen Basiswinkel im
Bereich von 45° bis 75°, insbesondere von 55° bis 65° aufweisen.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Basiswinkel der Prismen so variiert sind, dass eine zumindest teilweise Konzentrierung der abgelenkten Strahlung erfolgt.
Der Strahlungsteiler besteht vorzugsweise aus einem strukturierbaren Substrat mit einer Transmission von mindestens 85 % im Wellenlängenbereich von 400 bis 1100 nm. Hierzu zählen insbesondere Glas und/oder po- lymere Werkstoffe. In der vorliegenden erfindungsgemäßen Variante weist die der mindestens einen photo- voltaisch aktiven Oberfläche zugewandte Oberfläche des Substrates eine Strukturierung auf.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Strahlungsteiler aus einem Substrat mit ei- ner Transmission von mindestens 85 % im Wellenlängenbereich von 400 bis 1100 nm besteht, das auf der der mindestens einen photovoltaisch aktiven Oberfläche zugewandten Oberfläche des Substrates eine strukturierte Schicht aus einem Polymermaterial aufweist. Dieses Polymermaterial ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluor-, Acrylat- und/oder Silikonpolymeren.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Strukturierung des Strahlungsteilers eine über die gesamte Oberfläche im Wesentlichen gleiche Strukturtiefe in Richtung
der Flächennormale der Oberfläche, die bevorzugt im Bereich von 10 μm bis 20 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 50 μm bis 5 mm liegt.
Die Strukturierung kann dabei durch Guss, Spritzguss, Extrusion und/oder Prägung eingebracht worden sein.
Der Strahlungsteiler kann vorzugsweise auch als plane Scheibe oder Platte ausgeführt sein.
Ebenso kann der Strahlungsteiler eine spektral selektive Transmission aufweisen zugunsten des photovol- taisch nutzbaren Spektralanteils, i.a. mit maximalen Transmissionen im Bereich von 400 nm bis 1100 nm.
Erfindungsgemäß wird ebenso eine Vorrichtung zur Kon- Zentrierung und Umwandlung von Solarenergie bereitgestellt, die mindestens einen Konzentrator, wie er zuvor beschrieben wurde, und mindestens eine Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie aufweist. Der mindestens eine Konzentrator ist dabei so positi- oniert, dass die durch den Strahlungsteiler abgelenkte Solarstrahlung auf die mindestens eine Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie gelenkt wird.
Bei der Vorrichtung für die Umwandlung von Solarener- gie handelt es sich bevorzugt um Solarzellen, Solarmodule oder thermische Solarkollektoren.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung für die Umwand- lung von Solarenergie auf der der Solarstrahlung zugewandten Oberfläche eine Antireflexbeschichtung aufweist. Diesee besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer gegenüber dem Substratmaterial der Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie geringeren Lichtbrechung. Es können aber auch entsprechende Ma-
terialanordnungen, z.B. nanoporöses Glas, eingesetzt werden .
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie zusätzlich eine Anordnung zur ein- oder zweiachsigen Nachführbarkeit gegenüber der Sonnenposition auf.
Verwendung finden die zuvor beschriebenen Konzentra- toren zur Konzentrierung von Sonnenstrahlung auf pho- tovoltaisch aktive Bauelemente. So können die Kon- zentratoren zum Aufbau von konzentrierenden Photovol- taikmodulen eingesetzt werden. Als Zellen oder Module können marktübliche Siliziumzellen oder Siliziummodu- Ie für den nicht-konzentrierenden Einsatz eingesetzt werden. Wenn diese photovoltaischen Module nachgeführt werden, können sie auch auf üblichen Solar- Trackern montiert werden. Ebenso ist es möglich, dass derartige Systeme tageweise manuell einachsig der Sonne nachgeführt werden.
Ebenso ist es möglich, dass die erfindungsgemäßen Konzentratoren in Verbindung mit thermischen Solarkollektoren, die eine Umwandlung von Solarenergie in Wärme herbeiführen, eingesetzt werden.
Bei einer entsprechenden Dimensionierung können die erfindungsgemäßen Konzentratoren auch in oder als Sonnenschutz-Lamellen für Gebäude eingesetzt werden. Die Lamellen wären hier um ihre Längsachse drehbar und damit einachsig nachführbar.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungs- gemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Fig. 1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäß verwendeten Strahlungsteiler.
Fig. 2 zeigt anhand einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Konzentrator .
Fig. 3 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Anordnung mehrerer Strahlungsteiler in Verbindung mit entsprechenden aktiven Flächen.
Fig. 4 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Kon- zentrators .
Fig. 5 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine weitere erfindungsgemäße Variante eines Strahlungsteilers .
In Fig. 1 ist ein Strahlungsteiler 1 im Querschnitt dargestellt, der einfallende Sonnenstrahlung um +/-
60° ablenkt und so in zwei verschiedene Richtungen aufteilt. Hierbei wird der Lichtstrahl 3 so abgelenkt, dass er als Lichtstrahl 4 den Strahlteiler verlässt, während der Lichtstrahl 3' so abgelenkt wird, dass er den Strahlteiler als Strahl 4' verlässt. Durch diese Aufteilung wird die Strahlung auch ohne Brechung vollständig umgelenkt. Hierbei auftretende Reflexionsverluste an den Grenzflächen des Strahlungsteilers zur Luft betragen etwa 8 %. Diese Reflexionsverluste können auf einen Wert von etwa 3 % reduziert werden, sofern entsprechende Antireflex- Beschichtungen eingesetzt werden.
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Konzentrator ab- gebildet, der einen Strahlungsteiler 1 aufweist, über den Sonnenstrahlung 3 in einen ersten Strahlbündel 4
und einen zweiten Strahlbündel 4' abgelenkt wird. Der Strahlbündel 4 wird dabei auf die aktive Fläche 5, z.B. eine Solarzellenoberfläche, abgelenkt, während der zweite Strahlbündel 4' auf die photovoltaisch ak- tive Fläche 5' abgelenkt wird. Mit einer derartigen Anordnung lässt sich eine geometrische Konzentration um den Faktor 1,5 erreichen.
Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung von einem Strah- lungsteiler und zwei photovoltaisch aktiven Flächen kann in beide Raumrichtungen beliebig fortgesetzt werden, z.B. eine arrayartige Anordnung. In diesem Fall ergibt sich eine geometrische Konzentration um den Faktor 2. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 3 dar- gestellt, in der eine lineare Anordnung von Strahlungsteilern 1 und aktiven Flächen 5, 5' und 5'', z.B. Solarzellenoberflächen, dargestellt ist. Die einfallende Solarstrahlung 3 wird dabei z.B. über den Strahlteiler 1' in zwei Strahlbündel 4 und 4' aufge- teilt, die dann auf die entsprechenden aktiven Flächen 5 und 5' fallen.
In Fig. 4 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Konzentrators dargestellt. Hierbei wird einfal- lendes Sonnenlicht 3, 7 durch den Strahlungsteiler 1 abgelenkt. Die beiden Strahlen 3 und 7 treffen an unterschiedlichen Stellen auf den Strahlungsteiler 1, wobei in den jeweiligen Bereichen unterschiedliche Strukturelemente ausgebildet sind. Dies führt dazu, dass der abgelenkte Strahlbündel 4 des eingefallenen Sonnenstrahls 3 mit dem abgelenkten Strahlbündel 8 des eingefallenen Sonnenstrahls 7 sich in einem Punkt auf der photovoltaisch aktiven Fläche 5 treffen und es so zu einer Konzentrierung des Sonnenlichts in diesem Punkt kommt. Gleiches gilt für die Strahlbündel 4' und 8' auf der benachbarten photovoltaisch ak-
tiven Fläche 6.
So ist es durch leichte Variation der Strukturelemente möglich, die abgelenkte Strahlung zu konzentrie- ren. Somit können die photovoltaisch aktiven Flächen halbiert werden, wodurch die geometrische Konzentration von einem Faktor 2 auf den Faktor 3 oder mehr steigt .
In Fig. 5 wird eine erfindungsgemäße Variante dargestellt, die auf einem asymmetrischen Prinzip basiert. Die Flankenwinkel der Flanken 2 und 2' betragen hier 59° bzw. 66,7°. Dies führt dazu, dass Solarstrahlung 3 in einem anderen Winkel abgelenkt wird als Solar- Strahlung 3' .
Claims
1. Konzentrator für Solarstrahlung enthaltend mindestens einen Strahlungsteiler zur Ablenkung von Solarstrahlung, wobei der Strahlungsteiler auf der der Solarstrahlung abgewandten Seite eine
Strukturierung aufweist, die auf den Strahlungsteiler fallende Solarstrahlung mittels Totalreflexion in zwei verschiedene Richtungen ablenkt.
2. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung aus mehreren sich über die gesamte Fläche periodisch wiederholenden Strukturelementen besteht.
3. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung aus mehreren sich unterscheidenden Strukturelementen besteht, wobei die einzelnen Strukturelemente so aufeinander abgestimmt sind, dass eine zumindest teilweise Konzentrierung der abgelenkten Strahlung erfolgt.
4. Konzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung in Form von im Wesentlichen gleichschenkligen Prismen ausgebildet ist.
5. Konzentrator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen einen Basiswinkel im Bereich von 45° bis 75°, insbesondere von 55° bis 65° aufweisen.
6. Konzentrator nach dem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiswinkel der Prismen so variiert sind, dass eine zumindest teilweise Konzentrierung der abgelenkten Strah- lung erfolgt.
7. Konzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungstei- ler aus einem strukturierbaren Substrat mit einer Transmission von mindestens 85 % im Wellenlängenbereich von 400 bis 1100 nm besteht, insbesondere aus Glas oder einem polymeren Werkstoff, wobei die der mindestens einen photovol- taisch aktiven Oberfläche zugewandten Oberfläche eine Strukturierung aufweist.
8. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungstei- ler aus einem Substrat mit einer Transmission von mindestens 85 % im Wellenlängenbereich von 400 bis 1100 nm besteht, das auf der der mindestens einen photovoltaisch aktiven Oberfläche zugewandten Oberfläche eine strukturierte Schicht aus einem Polymermaterial aufweist.
9. Konzentrator nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fluor-, Acrylat- und/oder Silikonpolymeren.
10. Konzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung eine über die gesamte Oberfläche im wesentlichen gleiche Strukturtiefe in Richtung der Flächennormale der Oberfläche im Bereich von 10 μm bis 20 mm, insbesondere von 50 μm bis 5 mm aufweist.
11. Konzentrator nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung durch Guss, Spritzguss, Extrusion und/oder Prägung eingebracht wurde.
12. Konzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsteiler als plane Scheibe oder Platte ausgeführt ist.
13. Konzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsteiler eine spektral selektive Transmission auf- weist zugunsten des photovoltaisch nutzbaren
Spektralanteils .
14. Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie enthaltend mindestens einen Konzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens eine Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie, wobei der mindestens eine Konzentrator so positioniert ist, dass die durch den Strahlungsteiler abgelenkte Solarstrahlung auf die mindestens eine Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie gelenkt wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie eine Solarzelle, ein Solarmodul oder ein thermischer Solarkollektor ist.
16. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie auf der der Solarstrahlung zugewandten Oberfläche eine Antire- flexbeschichtung, insbesondere aus einem Material mit einer gegenüber dem Substratmaterial geringeren Lichtbrechung, aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Anordnung zur ein- oder zweiachsigen Nach- führbarkeit gegenüber der Sonnenposition auf- weist.
18. Verwendung des Konzentrators nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Konzentrierung von Sonnen- Strahlung auf Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie, insbesondere Solarzellen, Solarmo- dule oder thermische Solarkollektoren.
19. Verwendung des Konzentrators nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Sonnenschutz-LameHe .
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