WO2004100274A1 - Einheit zum konzentrieren von sonnenstrahlung auf eine mikrosolarzelle - Google Patents

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Definitions

  • Patent application unit for concentrating solar radiation on a microsolar cell
  • the invention relates to a unit for concentrating solar radiation on a microsolar cell.
  • Microsolar cells are solar cells that usually do not exceed a size of a few hundred square millimeters and are able to absorb concentrated solar radiation.
  • microsolar cells which convert the incident sunlight directly into electricity.
  • Units are used which are made up of an optical device and a microsolar cell.
  • the optical devices are usually lenses with a diameter of up to 20 cm.
  • a microsolar cell is arranged in the focal point of the lens.
  • a large number of units are combined and installed in a weatherproof housing (module) in such a way that the optical device and the microsolar cell cannot be moved relative to one another.
  • the modules can be made in dimensions limited by a few meters by truck transport.
  • the object of the present invention is therefore to create a device with which a less complex tracking to the constantly changing position of the sun is possible. This task is solved by the independent claim. Advantageous refinements can be found in the dependent claims.
  • housings can be used in a simple manner as part of a facade cladding or as a building material.
  • the solar module according to the invention can thus be integrated in a building envelope. This means that large, previously unused areas are available for energy generation.
  • the tracking devices should be long-lasting, since tracking must take place at least during the usable hours on every sunny day during the life of the units.
  • a number of inexpensive technologies are available for the tracking, especially since micro-solar cells will become mass-produced items.
  • micro-concentrator module it makes sense to arrange several units in one housing and thus combine them to form a micro-concentrator module, since this enables less complex production.
  • a transparent design of the housing enables the micro-concentrator module to be integrated into a building envelope, with the housing taking on the functions of weather protection, heat and sound insulation.
  • partial shading of light (especially) is achieved in summer, since the concentrating units absorb the (intensive) direct light and allow the (weak) diffuse light to pass through largely unhindered.
  • the tracking movement can be controlled using astronomical data.
  • the necessary tracking movement can be calculated and carried out from the time and date together with the geographical location and the orientation of the microconcentrator module.
  • the current position of the sun can be measured and, depending on this, the necessary tracking movement can be determined and regulated accordingly. It is possible to determine the current position of the sun in the micro concentrator module. In this way, the orientation of the module is taken into account when measuring the position of the sun.
  • Such regulation of the tracking allows the modules to be used regardless of location.
  • the angle of attack and the alignment of the modules can be varied. Fresnel lenses are particularly suitable for focusing the solar radiation due to their low-mass and inexpensive production, for example from embossed, millimeter-thin plastic layers.
  • the requirements for the accuracy of the tracking can be reduced by attaching an additional converging lens to the microsolar cell.
  • the light concentrated in the optical device is concentrated again in a converging lens.
  • the movement of the optical device of one unit can be coupled with the movement of the optical device of at least one neighboring unit.
  • the entire unit is to be moved for tracking purposes, the same movement is also required for neighboring units within a housing. Therefore the movements of several units can be coupled.
  • the number of drive devices can be reduced by coupling the movement of several optical devices or units. Since drive devices are more complex to produce than devices for coupling the movement of adjacent optical devices or units, the equipment effort can be reduced by coupling the movements. The effort stems, among other things, from the fact that each drive device must be supplied with energy and controlled with signals.
  • the coupling of the movement of several optical devices and / or units can be realized with a linkage. This can be done by connecting each optical device and / or unit with a rod, which ensures the tracking of the east / west movement of the sun, and compensates for the different heights of the sun.
  • the rod must be connected to the optical devices and / or the units with suitable joints. It is possible to fasten each optical device and / or optical unit movably on a rod and movably at a fixed point. The tracking can be achieved by moving the rod. Alternatively, it is also conceivable to provide different rods for tracking the east / west movement and the different height of the sun. Of course, this requires the use of suitable joints for connecting the rods to the optical devices and / or units.
  • each optical device is movably attached both to a rod for tracking the east-west movement of the sun and to a rod to compensate for different heights of the sun, a further attachment of the optical devices is no longer necessary.
  • a tracking that allows an optimal concentration of the incident solar radiation on the microsolar cells is best achieved by the fact that the optical axis of the optical device comes to lie approximately on the connecting line between the microsolar cell and the sun.
  • the necessary accuracy of the tracking increases with increasing concentration of sunlight.
  • a suitable second optical unit that is fixedly connected to the microsolar cell can be used, which at the same time hermetically shields the microsolar cell against possible environmental influences.
  • a stepper motor can be provided to drive the tracking. Stepper motors allow precise control of the movement. It is possible to use stepper motors to move the linkage described above.
  • Worm gears can be used to transmit the forces and convert the movements during tracking.
  • FIG. 1 shows a unit for concentrating solar radiation arranged in a stationary housing.
  • Fig. 2 shows a unit arranged in a stationary housing for concentrating solar radiation with two lenses.
  • the radiation coming from the sun 1 strikes the optical device 3. This concentrates the solar radiation on the microsolar cell 4, in which the solar radiation is converted photovoltaically into electrical energy. Since the efficiency of the microsolar cell 4 decreases with increasing temperature, the microsolar cell 4 is surrounded by a heat sink 5, which dissipates the waste heat.
  • a micro-tracking device 6 is arranged below, which comprises the unit of microsolar cell 4 and optical device 3 moves. The movement of the sun 1 can thus be compensated for without the housing 2 having to be moved.
  • the optical device 3 here a Fresnel lens 8
  • the optical device 3 here a Fresnel lens 8
  • the microsolar cell 4 which is fixed in the housing 2 and which is provided with a converging lens 7 to increase the light concentration and to reduce the tracking accuracy
  • the tracking device for the Fresnel lens 8 is not shown here.
  • the connecting lines between the Fresnel iris 8 and the microsolar cell 4 represent the marginal rays of the collected light.
  • optical device 4 microsolar cell 5 heat sink 6 micro tracking device 7 converging lens 8 Fresnel lens

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Abstract

Einheit zum Konzentrieren von Sonnenstrahlung auf eine Mikrosolarzelle (4), wobei in der Einheit eine optische Einrichtung (3) und eine Mikrosolarzelle (4) angeordnet ist, wobei einfallendes Sonnenlicht mit der optischen Einrichtung (3) auf die Mikrosolarzelle fokussierbar ist, wobei zur Nachführung an den Sonnenstand die optische Einrichtung (3) unabhängig von der Mikrosolarzelle (4) bewegbar ist und/oder die Einheit unabhängig von einem die Einheit umgebenden Gehäuse (2) bewegbar, und das die Einheiten umgebende Gehäuse (2) in eine Gebäudehülle integrierbar ist.

Description

Patentanmeldung: Einheit zum Konzentπeren von Sonnenstrahlung auf eine Mikrosolarzelle
Anmelderin: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Die Erfindung betrifft eine Einheit zum Konzentrieren von Sonnenstrahlung auf eine Mikrosolarzelle. Bei Mikrosolarzellen handelt es sich um Solarzellen, die in der Regel eine Größe von einigen hundert Quadratmillimetern nicht überschreiten und in der Lage sind konzentrierte Sonnenstrahlung aufzunehmen.
Im Bereich der Nutzung der Sonnenergie ist es bekannt, Sonnenstrahlung vor der Umwandlung in elektrische Energie oder Wärme zu konzentrieren. Während bei solarthermischen Anwendungen durch die Konzentration höhere Wirkungsgrade durch höhere Temperaturen angestrebt werden, dient die Konzentration bei Photovoltaikanwendungen in erster Linie dazu, hochwertige Fläche an Halbleitermaterial einzusparen.
Ein Ansatz, der vor allem im Bereich der Photovoltaik gewählt wird, ist die Konzentration von Sonnenstrahlung auf Mikrosolarzellen, die das einfallende Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Dabei werden Einheiten eingesetzt, die aus einer optischen Einrichtung und einer Mikrosolarzelle aufgebaut sind. Bei den optischen Einrichtungen handelt es sich gewöhnlich um Linsen mit einem Durchmesser von bis zu 20 cm. Im Brennpunkt der Linse ist eine Mikrosolarzelle angeordnet Beim Stand der Technik wird eine Vielzahl von Einheiten so zusammengefasst und in ein wetterfestes Gehäuse (Modul) eingebaut, dass optische Einrichtung und Mikrosolarzelle nicht gegeneinander bewegbar sind. Die Module können in durch Lastwagentransport begrenzten Abmessungen von bis zu einigen Metern ausgeführt werden. Wegen der Bewegung der Sonne ist es erforderlich die gesamten Module so dem Sonnenstand nachzuführen, dass die einfallende Sonnenstrahlung auf die sich im Brennpunkt befindlichen Mikrosolarzellen fokussiert wird. In der Regel werden mehrere Module gleichzeitig entsprechend mechanisch bewegt bzw. nachgeführt. Dabei ist sowohl die Ost/West-Bewegung der Sonne als auch die unterschiedliche Höhe der Sonne zu berücksichtigen.
Wegen des hohen technologischen Aufwands der mit der Nachführung verbunden ist, sind solare Energiegewinnungsanlagen, die eine Nachführung benötigen, kaum verbreitet Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine weniger aufwändige Nachführung an den sich ständig ändernden Sonnenstand möglich ist. Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es um bestimmte Anwendungsmöglichkeiten zu erreichen zu vermeiden ist, zur Nachführung an den Sonnenstand jeweils das gesamte Gehäuse mit seinem hohen Gewicht zu bewegen. Dies wird dadurch verwirklicht, dass Einheiten zum Konzentrieren der Sonnenstrahlung mit einer optischen Einrichtung und einer Mikrosolarzelle geschaffen werden, in denen das einfallende Sonnenlicht mit der optischen Einrichtung auf die Mikrosolarzelle fokussiert werden kann, wobei zur Nachführung an den Sonnenstand die optische Einrichtung unabhängig von der .Mikrosolarzelle und dem umgebenden Gehäuse bewegt werden kann. Wiewohl es sich in der Regel anbietet die optische Einrichtung zu bewegen könnte auch die Mikrosolarzelle bewegt werden. Vorteilhafterweise werden sowohl die Mikrosolarzelle als auch die optische Einrichtung so gewählt, dass sie ein sehr geringes Gewicht im Bereich von einigen Gramm aufweisen. Damit können sehr einfache Nachführeinrichtungen gewählt werden. Es ist auch möglich eine ganze Einheit unabhängig von dem umgebenden Gehäuse zu bewegen. Auch ganze Einheiten haben in vorstehender Ausgestaltung ein niedriges Gewicht, so dass auch für ganze Einheiten einfache Nachführeinrichtungen möglich sind.
Bei der im Stand der Technik bekannten Modulgröße von einigen zehn Quadratmetern kommt es bei einer gleichzeitigen Nachführung von beispielsweise 5 Modulen zu einem Kollektorfeld von etwa 200 m2. Ein solches System muss aufgrund der erforderlichen statischen und dynamischen Stabilität (Windkräfte) bei gleichzeitig hoher Präzision der Nachführung recht massiv ausgeführt werden, was zu Massen im Bereich von 10 Tonnen und einer entsprechend sicheren Aufständerung führt. Derartige bekannte Systeme finden wegen des hohen Aufwands trotz des starken Wachstums der photovoltaischen Stromerzeugung keine Verbreitung. Erst mit der erfindungsgemäßen Nachführeinrichtung wurde eine kostengünstige Realisierungsmöglichkeit für den Einsatz nachgeführter Systeme zur photovoltaischen Stromerzeugung geschaffen. Vorteilhaft ist, dass die Nachführeinrichtungen innerhalb des wetterfesten Gehäuses angeordnet werden, so dass die Nachführungseinrichtungen kaum Witterungseinflüssen unterliegen. Lediglich durch die Sonnenstrahlung bedingte Temperaturschwankungen sind zu berücksichtigen. Solche Gehäuse lassen sich in einfacher Weise als Bestandteil einer Fassadenverkleidung oder als Baustoff verwenden. Somit ist das erfindungsgemäße Solarmodul in einer Gebäudehülle integrierbar. Es stehen damit für die Energieerzeugung große, bisher ungenutzte Flächen zur Verfügung.
Ferner sollten die Nachführeinrichtungen langlebig sein, da zumindest während der nutzbaren Stunden an jedem Sonnentag während der Lebensdauer der Einheiten eine Nachführung erfolgen muss. Für die Nachführung steht eine Reihe von preisgünstigen Technologien zur Verfügung, zumal es sich im Falle der Marktdurchsetzung von Mikrosolarzellen um Massenartikel handeln wird.
Es ist sinnvoll mehrere Einheiten in einem Gehäuse anzuordnen und so zu einem Mikrokonzentratormodul zusammenzufassen, da damit eine weniger aufwändige Herstellung möglich ist. Eine transparente Ausführung des Gehäuses ermöglicht eine Integration des Mikrokonzentratormoduls in eine Gebäudehülle, wobei das Gehäuse die Funktionen Wetterschutz, Wärme- und Schallisolation übernimmt. Zusätzlich wird eine teilweise Lichtabschattung (besonders) im Sommer erreicht, da die konzentrierenden Einheiten das (intensive) direkte Licht absorbieren und das (schwache) diffuse Licht weitgehend ungehindert durchlassen können.
Die Steuerung der Nachführbewegung kann mit Hilfe von astronomischen Daten erfolgen. Aus Uhrzeit und Datum kann zusammen mit der geographischen Lage und der Orientierung des Mikrokonzentratormoduls die notwendige Nachführbewegung berechnet und durchgeführt werden. Alternativ kann der aktuelle Sonnenstand gemessen werden und abhängig davon die notwendige Nachführbewegung ermittelt und entsprechend geregelt werden. Dabei ist es möglich den aktuellen Sonnenstand im Mikrokonzentratormodul zu ermitteln. Auf diese Weise wird die Ausrichtung des Moduls bei der Messung des Sonnenstands mitberücksichtigt. Eine derartige Regelung der Nachführung gestattet den ortsunabhängigen Einsatz der Module. Zudem kann der Anstellwinkel und die Ausrichtung der Module variiert werden. Zum Fokussieren der Sonnenstrahlung eignen sich Fresnellinsen in besonderer Weise aufgrund einer massearmen und kostengünstigen Herstellung, z.B. aus geprägten, Millimeter-dünnen Kunststoffschichten.
Die Anforderungen an die Genauigkeit der Nachführung können reduziert werden, indem an der Mikrosolarzelle eine zusätzliche Sammellinse angebracht wird. Dabei wird das in der optischen Einrichtung konzentrierte Licht in einer Sammellinse nochmals konzentriert.
Da bei allen optischen Einrichtungen innerhalb eines Gehäuses dieselbe Nachführbewegung erforderlich ist, kann die Bewegung der optischen Einrichtung einer Einheit mit der Bewegung der optischen Einrichtung mindestens einer benachbarten Einheit gekoppelt werden.
Falls zur Nachführung die ganze Einheit bewegt werden soll, ist für benachbarte Einheiten innerhalb eines Gehäuses ebenfalls dieselbe Bewegung erforderlich. Daher können die Bewegungen mehrerer Einheiten gekoppelt werden. Durch die Kopplung der Bewegung mehrerer optischer Einrichtungen bzw. Einheiten kann die Anzahl der Antriebseinrichtungen reduziert werden. Da Antriebseinrichtungen aufwändiger herzustellen sind als Einrichtungen zur Kopplung der Bewegung benachbarter optischer Einrichtungen bzw. Einheiten lässt sich durch die Kopplung der Bewegungen der apparative Aufwand reduzieren. Der Aufwand rührt unter anderem auch daher, dass jede Antriebseinrichtung mit Energie versorgt und mit Signalen angesteuert werden muss.
Die Kopplung der Bewegung mehrerer optischer Einrichtungen und/oder Einheiten kann mit einem Gestänge verwirklicht werden. Dies kann erfolgen, in dem jede optische Einrichtung und/oder jede Einheit mit einer Stange verbunden wird, welche die Nachführung an die Ost/West-Bewegung der Sonne sicherstellt, sowie die unterschiedliche Höhe der Sonne ausgleicht. Dabei ist die Stange mit den optischen Einrichtungen und/oder den Einheiten mit geeigneten Gelenken zu verbinden. Dabei ist es möglich jede optische Einrichtung und/oder optische Einheit beweglich an einer Stange und beweglich an einem Fixpunkt zu befestigen. Durch die Bewegung der Stange kann damit die Nachführung erreicht werden. Alternativ ist es auch denkbar, für die Nachführung an die Ost/West-Bewegung und an die unterschiedliche Höhe des Sonnenstands jeweils verschiedene Stangen vorzusehen. Dies erfordert freilich den Einsatz geeigneter Gelenke zur Verbindung der Stangen mit den optischen Einrichtungen und/oder Einheiten. Eine material- und herstellungsaufwandsparende Anordnung der optischen Einrichtungen kann erreicht werden, indem das Antriebsgestänge zugleich als Aufhängung dient. Wenn beispielsweise jede optische Einrichtung sowohl an einer Stange zur Nachführung an die Ost West-Bewegung der Sonne als auch an einer Stange zum Ausgleich unterschiedlicher Sonnenstandhöhen beweglich befestigt ist, ist eine weitere Befestigung der optischen Einrichtungen nicht mehr erforderlich.
Eine Nachführung, die eine optimale Konzentration der einfallenden Sonnenstrahlung auf die Mikrosolarzellen erlaubt, wird am besten dadurch erreicht, dass die optische Achse der optischen Einrichtung in etwa auf der Verbindungslinie zwischen der Mikrosolarzelle und der Sonne zu liegen kommt. Die notwendige Genauigkeit der Nachführung nimmt mit zunehmender Konzentration des Sonnenlichtes zu. Zur Herabsetzung der Nachführgenauigkeit bei hochkonzentrierenden Systemen (hundert bis tausendfache Konzentration) kann eine geeignete ortsfest mit der Mikrosolarzelle verbundene zweite optische Einheit eingesetzt werden, die gleichzeitig auch die Mikrosolarzelle hermetisch gegen mögliche Umwelteinflüsse abschirmt. Zum Antrieb der Nachführung kann ein Schrittmotor vorgesehen werden. Schrittmotoren gestatten eine präzise Steuerung der Bewegung. Dabei ist es möglich Schrittmotoren zur Bewegung der oben geschilderten Gestänge einzusetzen.
Zur Übertragung der Kräfte und Umwandlung der Bewegungen bei der Nachführung können Schneckengetriebe eingesetzt werden.
Anhand nachfolgender Figuren wird die Erfindung näher beschrieben:
Fig. 1 zeigt eine in einem ortsfesten Gehäuse angeordnete Einheit zum Konzentrieren von Solarstrahlung.
Fig. 2 zeigt eine in einem ortsfesten Gehäuse angeordnete Einheit zum Konzentrieren von Solarstrahlung mit zwei Linsen.
Die von der Sonne 1 kommende Strahlung trifft auf die optische Einrichtung 3. Diese konzentriert die Sonnenstrahlung auf die Mikrosolarzelle 4, in der die Sonnenstrahlung photovoltaisch in elektrische Energie umgewandelt wird. Da der Wirkungsgrad der Mikrosolarzelle 4 mit zunehmender Temperatur sinkt, ist die Mikrosolarzelle 4 von einem Kühlkörper 5 umgeben, der die anfallende Abwärme abführt. Unterhalb ist eine Mikronachführeinrichtung 6 angeordnet, welche die Einheit aus Mikrosolarzelle 4 und optischer Einrichtung 3 bewegt. Damit kann die Bewegung der Sonne 1 ausgeglichen werden, ohne dass eine Bewegung des Gehäuses 2 erforderlich wäre.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Variante, bei der die optische Einrichtung 3, hier eine Fresnellinse 8, unabhängig von der im Gehäuse 2 ortsfest angebrachten Mikrosolarzelle 4, die mit einer Sammellinse 7 zur Erhöhung der Lichtkonzentration und zur Reduzierung der Nachführgenauigkeit versehen ist, bewegt wird. Die Nachführeinrichtung für die Fresnellinse 8 ist hier nicht gezeigt. Die Verbindungslinien zwischen der Fresnellirise 8 und der Mikrosolarzelle 4 stellen die Randstrahlen des eingesammelten Lichts dar.
Bezugszeichenliste
T Sonne 2: Gehäuse (ortsfest)
3 optische Einrichtung 4 Mikrosolarzelle 5: Kühlkörper 6 Mikronachführeinrichtung 7 Sammellinse 8 Fresnellinse

Claims

Patentansprüche
1. Einheit zum Konzentrieren von Sonnenstrahlung auf eine Mikrosolarzelle (4), wobei in der Einheit eine optische Einrichtung (3) und eine Mikrosolarzelle (4) angeordnet ist, wobei einfallendes Sonnenlicht mit der optischen Einrichtung (3) auf die Mikrosolarzelle fokussierbar ist, wobei zur Nachführung an den Sonnenstand die optische Einrichtung (3) unabhängig von der Mikrosolarzelle (4) bewegbar ist und/oder die Einheit unabhängig von einem die Einheit umgebenden Gehäuse (2) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das die Einheiten umgebende Gehäuse (2) in eine Gebäudehülle integrierbar ist.
2. Einheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einheiten in einem Gehäuse (2) angeordnet sind
3. Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass. die optische Einrichtung (3) eine Fresnellinse (8) ist.
4. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mikrosolarzelle (4) eine Sammellinse (7) angeordnet ist.
5. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der optischen Einrichtung (3) einer Einheit mit der Bewegung der optischen Einrichtung (3) von mindestens einer benachbarten Einheit gekoppelt ist.
6. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung einer Einheit mit der Bewegung mindestens einer benachbarten Einheit gekoppelt ist.
7. Einheit nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung mehrerer optischer Einrichtungen (3) und/oder Einheiten mittels eines Gestänges gekoppelt ist.
8. Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestänge zugleich als Aufhängung für die optischen Einrichtungen (3) und/oder Einheiten dient
9. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (3) und die Mikrosolarzelle (4) derart angeordnet sind, dass mittels Nachführung die optische Achse der optischen Einrichtung (3) in etwa auf der Verbindungslinie zwischen der Mikrosolarzelle und der Sonne (1) zu liegen kommt.
10. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der Nachführung ein Schrittmotor vorhanden ist
1 1. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachführung ein Schneckengetriebe vorhanden ist.
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