WO2005074041A2 - Verfahren zur energieumwandlung solarer strahlung in elektrischen strom und wärmie konzentrator-solarkollektors zur anwendung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur energieumwandlung solarer strahlung in elektrischen strom und wärmie konzentrator-solarkollektors zur anwendung des verfahrens Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device of a concentrator solar collector in order to split solar radiation into different spectral colors with the aid of color selective mirrors and to concentrate on several semiconductor photovoltaic cells optimized for different light colors. It is used for the energy conversion of solar radiation into electrical power and heat with high efficiency.
  • solar radiation collectors and energy converters There are already various solar radiation collectors and energy converters.
  • Thermal solar collectors which convert the incident sun rays into thermal energy in order to heat a carrier medium (water, oil, gas, etc.), are often used for room air conditioning and in combination with thermodynamic cycle processes such as heat pumps, Stirling engines and Rankine cycle processes.
  • Cost reduction potential as well as microporous DSC and quantum dot structures, such as B. the Graetzelzelle.
  • the loss mechanisms in the individual semiconductor materials known for solar cells can hardly be further optimized because they are predetermined by the material used for physical reasons. This leads to a theoretical maximum efficiency of, for example, about 27% with the highest purity silicon.
  • Layer systems made of semiconductor materials with different band gaps for the use of larger spectral ranges as well as nanoporous layer systems may lead to an increase in area efficiency. There are further potential for cost optimization
  • Concentrator Instead of relatively expensive large semiconductor areas, one tries with inexpensive optical components, such as lenses or concave mirrors, to bundle the light in order to then illuminate small but highly efficient semiconductor areas with highly concentrated light intensity. Although this can significantly reduce the semiconductor costs per area and per watt, concentrator technologies are not very suitable for using diffuse radiation, which is particularly disadvantageous in temperate climates with frequent cloud cover. It requires particularly high cell efficiency in order to achieve at least the same annual energy yield per area as conventional photovoltaic flat cell modules. To achieve this increased cell efficiency requires stack cell technology (layer systems with several different semiconductor layers) or the conversion photovoltaically with the given photocell semiconductor unusable wavelengths into usable wavelengths, e.g. B. with photon splitter or luminance layers.
  • a disadvantage of such multiple-layer stacks is that a part of the radiation components, which should actually arrive in the lower layers, is already absorbed and thermalized or also reflected in cover layers. In addition, more manufacturing steps are required, which increase costs.
  • Another well-known approach to reducing these losses is the spatial separation of solar radiation into its light colors. These defined wavelength ranges of light are then directed onto equally spatially separated solar cells made of semiconductors optimized for the respective light color.
  • holographic Concentrators over diffraction gratings in turn showed new sources of loss and problems (absorption and scattering losses as well as UV light, aging and moisture resistance of the holograms) and have so far not been able to find widespread use in the market. Interference mirrors are more suitable for this.
  • Constructive interference comes e.g. B. in dielectric mirrors and optical color filters for use and also heat protection glasses to increase the reflection for a desired wavelength range.
  • Destructive interference is used for anti-reflective layers, so that with uninfluenced absorption significantly higher transmittance levels, e.g. B. glass panes and photo-optical lenses (suppression of reflections).
  • By stacking many highly transparent dielectric layers by varying the layer thicknesses and refractive indices, one can also cover larger spectral bandwidths with constructive interference and achieve high reflectivities up to over 99%. For example, alternating o / 4 layers of silicon dioxide and tantalum pentoxide have proven themselves as interference mirrors.
  • the invention has for its object to find suitable interference filter materials and arrangements for solar radiation, which can be produced inexpensively and whose tendency to contamination, discoloration or corrosion under the influence of changing temperatures, air humidity in the dew point area and exposure to dust is low.
  • the object is achieved as follows: It is characteristic of the device according to the invention that the light with movable interference mirror films in at least two spectral Wavelength ranges are separated, a wavelength range being reflected on each film and a part being transmitted.
  • the direct solar radiation is refractive beforehand, e.g. B. with Fresnel lenses, or reflective, e.g. B. bundled with concave mirrors or Fresnel concave mirrors (mirror field).
  • One or more such interference mirror foils are arranged in front of the optical focal point, so that there is in each case an optical focal point for the reflected and also for the transmitted light fraction.
  • photocells made of semiconductor materials are arranged which have the best possible efficiency for converting light radiation into electric current for the respective wavelength range.
  • the color-selective interference mirrors are realized with foils that are slowly moved from roll to roll through the light cone like a film in a cinema. This offers the advantage that inexpensive plastic film laminates can be used.
  • Interference mirror films of the device according to the invention are preferably used 'materials, which, in addition to the visible spectrum and a high transmittance of NIR radiation microns to about.
  • 2 Flour polymers and Flourid soft glasses let sunlight through in a wide frequency range. Transparency for UV radiation reduces the degradation of the films and improves the energy yield.
  • Thin layer systems in the form of thermoplastic films with transparent basic plastics (PMMA, PC, styrenes) with parts made of tellurium or flour compounds can be used for a wide spectral range down to the NIR.
  • Two plastic films with different optical refractive indices in the range of the softening temperature are laminated several times on top of each other until the layer thickness of the individual layers is a quarter of the wavelength to be reflected.
  • the photo cells arranged in the optical focal points in front of and behind the interference mirror film or films are irradiated with a high illuminance, typically in the range of 50-2500 times the sun concentration.
  • the cells require a design that is tailored to the expected photocurrent (concentrator cells). If the band gap of the semiconductor is well matched to the respective light color range, the quantum efficiency of the photovoltaic conversion is high and the heat development proportionately lower. However, the heat generated must be dissipated, e.g. B. via water cooling.
  • the photocells are therefore arranged on a heat sink through which a cooling medium can flow.
  • a cooling medium can flow.
  • organic solvents classic refrigerants (e.g. R134, propane, etc.), binary solutions (e.g. ammonia solution) or gases (such as helium) under higher operating pressure can also be used.
  • classic refrigerants e.g. R134, propane, etc.
  • binary solutions e.g. ammonia solution
  • gases such as helium
  • Absorption chillers, ORC systems (Organic Rankine Cycle), Villumier heat pumps and MCE converters (Magneto-Caloric-Effect) operate.
  • a very thin layer system with thermionic function from z. B. Bi 2 Te 3 / Sb 2 Te 3 (thermodiode) between the solar cell and the heat sink can partially convert the resulting heat flow into electrical current if necessary. The electrical efficiency can thus be increased again.
  • a light fraction can also be fed into an optical waveguide (LWL).
  • LWL optical waveguide
  • FIG. 1 An embodiment of the device according to the invention with refractive concentrators is shown in Figure 1.
  • convex Fresnel lenses 1 are incorporated in the translucent upper boundary plate facing the light. They are aligned perpendicular to the position of the sun, whereby the outside of the upper boundary plate can preferably have an anti-reflective or easy-to-clean coating (dirt and water-repellent surface).
  • a lower boundary plate 8 which is arranged parallel to the upper boundary plate with the Fresnel lenses 1 and forms a largely dustproof and watertight box with this and the side walls of the frame 6.
  • the depth of the frame 6, ie the distance between the upper Fresnel lens 1 and the lower boundary plate 8, corresponds approximately to the focal length of the Fresnel lenses 1 used.
  • germanium photocells for NIR radiation 5b are mounted on heat sinks 7, through which a liquid can flow. If the Fresnel lenses 1 are aligned perpendicular to the sun, a light cone is formed in each case and the radiation is directed onto the respective, in comparison to the Fresnel Lens small-area germanium photocell for NIR radiation 5b bundled.
  • the semiconductor germanium has a small band gap and is particularly efficient in a photocell for NIR radiation up to 2 ⁇ m, but less suitable for visible light.
  • a multi-meter long interference mirror foil 2 is arranged in the form of a tape, which is wound on a spindle 3. It is rewound from this unwinding spindle 3 in the course of the device's usage time onto a winding spindle 4, so that the interference mirror film 2 is slowly drawn through the respective light cone of the Fresnel lenses 1.
  • the interference mirror foil 2 consists of several layers of two alternately stacked transparent plastics with different optical refractive index, z. B. PMMA and polystyrene. Alternatively, other plastics with better resistance to UV light and NIR transparency can be used.
  • the layer thickness of these plastic layers must be in the range of 88 - 200 nm, which results in a high reflection for wavelengths in the VIS range (350 - 800 nm), while NIR radiation is transmitted.
  • the distance of this interference mirror film 2 between the Fresnel lenses 1 and the lower boundary plate 8 is approximately the same, so that the focal point of the VIS light reflected by the interference mirror film 2 is located just before the center of the Fresnel lens 1 of the upper boundary plate.
  • a silicon photocell for VIS radiation 5a is also arranged on a heat sink 7 through which liquid flows.
  • the semiconductor silicon has a larger band gap than germanium and can be used in a photocell for VIS radiation 5a, but is not suitable for NIR radiation from 1.2 ⁇ m.
  • silicon and germanium other semiconductors can also be used, such as GaAs, CdTe, GalnP, InP, GalnN, etc. as mentioned at the beginning.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention which not only directs two but four different wavelength ranges (light colors) to four different photocells.
  • the cover plate made of glass is on the outside with a weather-resistant multilayer interference mirror layer system, e.g. B. from silicon dioxide and tantalum pentoxide, each with a layer thickness of 55-110 nm, which reflects UV and blue light and transmits green, yellow, red and near-infrared radiation components down to at least 2 ⁇ m wavelength.
  • the glass plate is embossed in a bowl shape and on the inside it has the Fresnel lenses with front
  • Interference concave mirror for blue light 10 with its typical groove structures The bowl-shaped curvatures with the interference mirror layer system each have the function of a concave mirror.
  • the frame 6 with the Fresnel lenses with front interference concave mirror for blue light 10 becomes vertical facing the sun, a cone of light is formed by the bowl-shaped curvatures with the interference mirror layer system above these concave mirrors with the reflected UV and blue light.
  • photocells 15a are arranged, which have a high quantum efficiency for blue and UV radiation, for. B. from InGaP or CdS.
  • a light cone is formed from the non-reflected green, yellow, red and NIR light components, which are further fractionated with interference mirror foils 2 according to the invention.
  • Two different interference mirror foils 2 in the form of tapes are arranged one above the other between the Fresnel lenses with a front interference concave mirror for blue light 10 and the lower boundary plate 8, each of which is wound from a spool 3 to a spool 4 through the light cone.
  • a relative movement of the interference mirror foils 2 within the light cone can also take place by axially displacing the spindles 3, 4 with respect to the zone with the highest light concentration, since in the edge regions of the light cone, due to the lower radiation concentration and dwell time, less foil damage due to light-induced degradation can be expected is. If the film has been rewound from the unwinding spindle 3 to the winding spindle 4, the film can therefore be rewound onto the first spindle 3 by axially displacing the spindles 3 and 4 thus the usage time of the respective interference mirror foil 2 can be extended. While the first interference mirror foil for green and yellow VIS radiation 12a covers the wavelength range from approx.
  • the second interference mirror foil for red VIS radiation 12b which is located some distance below, is designed for the reflection range from about 650 to 1100 nm.
  • a double-sided photo cell for red VIS radiation 15c unfold its optimal efficiency.
  • the housing for the liquid cooling with the heat sink 5c of the photocell 15c is preferably transparent to the radiation range 650-2000 nm, as is the cooling medium.
  • the lowermost photocells for NIR radiation 5d on the lower boundary plate 8 are in turn optimized for the NIR radiation 1.1-2 .mu.m, and could for example consist of the semiconductor germanium or InGaAs.
  • Several such frames 6 can be mounted on suitable frames or on masts, equipped with rotary drives, which align the frames 6 perpendicular to the current sun position, so that the direct light radiation through the Fresnel lenses with front-side interference mirror for blue light 10 always on the photocells is focused.
  • FIG. 3 shows a device according to the invention with a reflective concentrator, in which the Concentrating the solar radiation with Fresnel concave mirrors 11 takes place.
  • a reflective concentrator in which the Concentrating the solar radiation with Fresnel concave mirrors 11 takes place.
  • These can be realized with individual mirrors that are movably arranged on roof, facade or open spaces for tracking the position of the sun.
  • the direct solar radiation is directed onto a solar receiver in the form of a frame 6, which, with adequate weather protection, contains several photocells consisting of different semiconductors and one or more interference mirror foils 2 according to the invention, each of which extends from a spool 3 to a spool 4 through the one entering the solar receiver Cones of light of the Fresnel concave mirror 11 or by a cone of light already reflected by the first interference mirror film for blue VIS radiation or UV and blue VIS radiation 22a.
  • the interference mirror foils 2 are dimensioned such that the optimum reflection wavelengths of the individual interference mirror foils 22a, 22b, 2c for the respective photocells 15a, 25b, 15c, 5d 'occur at an illumination angle of approximately 45 °.
  • FIG. 4 shows a solar receiver for the Fresnel concave mirror arrangement shown in FIG. 3.
  • an interference mirror film for blue and green VIS radiation 32a arranged in the light entry area of the frame 6 reflects a defined spectral range of light, e.g. B. blue, green and yellow, on an outside of the frame 6 photo cell for blue and green VIS radiation 45a, z. B. from GaAs.
  • the radiation components red and NIR transmitted by the first interference mirror foil for blue and green VIS radiation 32a are directed to a second interference mirror foil for yellow and red VIS radiation 32b, which z. B. reflected on a Si photo cell for yellow and red VIS radiation 35b and NIR transmitted, which falls on a germanium photo cell for NIR radiation 5c.
  • FIG. 5 also shows a solar receiver for the Fresnel concave mirror arrangement shown in FIG. 3.
  • the same interference mirror film for blue and green VIS radiation 32a irradiated with an entry angle of approximately 0 °, reflects a different wavelength range than is the case with a flatter radiation angle, e.g. B. about 45 ° is the case.
  • the interference mirror film for blue and green VIS radiation 32a will have a respective layer thickness of the alternating plastic layers in the range 100-132 nm and will reflect the blue and green light when irradiated vertically, while yellow, red and NIR are transmitted.
  • This initially transmitted radiation component passes through the same film again, but now at a steeper angle, e.g. B. about 40 ° - 50 °, the yellow light is now reflected, while red and NIR are largely transmitted.
  • Figure 6 it is shown that one or more of the light components separated with interference mirror foils 2 instead of a photocell in an optical waveguide 9, z. B. liquid-filled hose, can be fed and transported over limited distances to another place.
  • This application is shown on the basis of the embodiment of the device with refractive light concentrator already shown in FIG.
  • the focal point of the Fresnel lens 1 lies in the area of the glass fiber entrance when the sun is precisely aligned.
  • any number of such optical fibers 9 is summarized and the radiation can be at the other end of these optical fibers 9 z.
  • a photoreactor can be located in a separate room (heated or insulated) or a photocell can be located directly in a cooling water reservoir (e.g. swimming pool).
  • a cooling water reservoir e.g. swimming pool.
  • liquid-filled hoses can also be used as fiber-optic cables, whereby heat losses are reduced and the cooling of a photocell can be simplified
  • the device according to the invention differs from previously known solar collectors and from other light feed devices for optical waveguides in that the light with movable interference mirror foils 2 in at least two spectral wavelength ranges is separated, with each interference mirror foil 2 reflecting a wavelength range and transmitting a part.
  • the direct solar radiation is refractive beforehand, e.g. B. with Fresnel lenses 1, or reflective, for. B. bundled with concave mirrors or Fresnel concave mirrors 11 (mirror field).
  • One or more such interference mirror foils 2 are arranged in front of the optical focal point, so that there is in each case an optical focal point for the reflected and also for the transmitted light fraction.
  • photocells made of semiconductor materials are arranged which have the best possible efficiency for converting light radiation into electric current for the respective wavelength range.
  • the color-selective interference mirrors are realized with interference mirror foils 2, which are slowly moved from roll to roll via the spindles 3 and 4 through the light cone.
  • the invention offers several advantages.
  • the advantage of concentrator technology is that the light is concentrated on only small semiconductor areas with relatively inexpensive optical components (mirrors, Fresnel lenses), thus saving expensive semiconductor area.
  • the separation of the solar radiation into several wavelength ranges (light colors) offers the advantage that different semiconductor photocells, which are optimized for the respective wavelengths, can be operated with a higher photovoltaic conversion efficiency, which improves the overall electrical efficiency.
  • the slow coils with the spindles 3 and 4 of the interference mirror films 2 from roll to roll by the light cone has the advantage that not act permanently prejudicial to this surface reached dirt and damage due to moisture, baked dirt particles and light-induced degradation "as the claimed sheet sections are continuously renewed.
  • These thin interference mirror foils 2 can be produced from very inexpensive and commercially available plastic raw materials in mass production by lamination, rolling or drawing processes. There is no need for costly CVD or epitaxial deposition processes in a high vacuum.
  • the DSC technology Denssitized Cell
  • the Fresnel concave mirror 11 being rotated in such a way that these DSC surfaces are optimally illuminated when cloudy.
  • Both direct-directional and diffuse (scattered) light can be used in a wide spectral range, which means that the annual energy yield can be increased considerably.
  • the noiseless and largely maintenance-free collector surfaces can also be optimally integrated into existing settlement areas, attached to buildings, street lamps and masts, since the collector surfaces do not have to be coherent and can consist of many small, also differently designed forms and "islands" that can be too high
  • the efficiency should be significantly higher than with conventional photovoltaic systems if the interference mirror foils 2 and semiconductor surfaces are dimensioned appropriately, and if they are exactly aligned with the sun.
  • greater efficiency should also be achieved in comparison to surface modules using diffuse light to be achieved.
  • Wavelength range can be transported over a limited distance in a non-linear way and focused on the smallest areas. This light can be used to illuminate windowless interior or
  • Algae production is made possible by immersing the fibers in cloudy liquids so that one no more complex (not heat-insulated) glass tube coil constructions as they are currently in use.
  • Red and infrared radiation can generally not be used for photosynthesis, so that they can be used proportionately to generate electricity with the device according to the invention. Photosynthesis and power generation are not possible with other feeding devices for optical fibers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Konzentrator-Solarkollektor, um Sonnenstrahlung mit Hilfe farbselektiver Spiegel in verschiedene Spektralfarben aufzusplitten und auf mehrere für verschiedene Lichtfarben optimierte Halbleiter-Photovoltaikzellen zu konzentrieren. Sie dient der Energieumwandlung solarer Strahlung in elektrischen Strom und Wärme mit hohem Wirkungsgrad.

Description

Verfahren zur Energieumwandlung solarer Strahlung in elektrischen Strom und Härme mit farbselektiven Interferenzfilterspiegeln und eine Vorrichtung eines Konzentrator-Solarkollektors mit farbselektiven Spiegeln zur Anwendung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung eines Konzentrator-Solarkollektors, um Sonnenstrahlung mit Hilfe farbselektiver Spiegel in verschiedene Spektralfarben aufzusplitten und auf mehrere für verschiedene Lichtfarben optimierte Halbleiter-Photovoltaikzellen zu konzentrieren. Sie dient der Energieumwandlung solarer Strahlung in elektrischen Strom und Wärme mit hohem Wirkungsgrad. Es gibt bereits verschiedene solare Strahlungskollektoren und -energiewandler. Thermische Sonnenkollektoren, die die auftreffenden Sonnenstrahlen in Wärmeenergie umwandeln, um damit ein Trägermedium (Wasser, Öl, Gas, etc.) zu erhitzen, sind vielfach im Einsatz für Raumklimatisierung und in Kombination mit thermodynamischen Kreisprozessen, wie Wärmepumpen, Stirlingmotoren und Rankine- Kreisprozessen. Diese indirekte Umwandlung der exergiereichen Solarstrahlung über den Umweg anergiereicher Wärmeenergie wiederum zu exergiereicher Elektroenergie ist verlustreich und prinzipiell durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt. Um hohe Temperaturen zu erreichen, sind Konzentratortechnologien, wie Hohlspiegel oder Fresnel-Spiegelfelder erforderlich, die nur Direktstrahlung, nicht jedoch Diffuslicht bei Bewölkung nutzen können. Thermische Solarkraftwerke zur Stromerzeugung sind daher meist nur in besonders sonnenreichen Gebieten wirtschaftlich sinnvoll. Zur direkten Umwandlung von Licht in elektrischen Strom kommen Halbleiter-„Photozellen" zum Einsatz. Grundsätzlich sind die einzelnen Halbleitermaterialien oder -kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche der einfallenden Solarstrahlung geeignet. Ein großer Anteil der Strahlungsenergie kann also zur Stromerzeugung nicht genutzt werden. Sie wird zu Wärme und eine Temperaturerhöhung erhöht die Rekombinationsverluste in den Halbleitern bei der photovolaischen Energieumwandlung. Für großflächige Anwendungen haben Flachkollektoren aus polykristallinem Silizium im Markt bisher die weiteste Verbreitung gefunden. Sie erreichen bisher typisch 12 - 17 % Wirkungsgrad und können Direkt- und Diffuslicht nutzen. Es sind neben Silizium weitere Halbleiter-Materialien bekannt, die für bestimmte Lichtfarben eine hohe Quanteneffizienz aufweisen. Dazu zählen insbesondere GaAs, CdTe, GalnP, InP, GalnN, CuS2, CuInS2, CuIn(GaSe)2, Ge, CdSe, a-Si:H und diverse Legierungen mit 4 und mehr Legierungselementen, insbesondere mit Anteilen von Elementen der 3. und 5. Hauptgruppe. Viele dieser Legierungen sind in der Herstellung gegenüber Si relativ teuer. Die Herstellungskosten von so erzeugtem Solarstrom können bisher nicht mit denen anderer Energiequellen konkurrieren. Dünnschicht- Technologien versprechen hier
Kostensenkungspotenziale, wie auch mikroporöse DSC- und Quantenpunkt-Strukturen, wie z. B. die Graetzelzelle. Die Verlustmechanismen in den einzelnen für Solarzellen bekannten Halbleitermaterialien können kaum weiter optimiert werden, weil sie aus physikalischen Gründen durch das verwendete Material vorgegeben sind. Dies führt zu einem theoretisch maximalen Wirkungsgrad von beispielsweise etwa 27 % bei Silizium höchster Reinheit. Schichtsysteme aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken zur Nutzung größerer Spektralbereiche sowie nanoporöse Schichtsysteme lassen ggf. noch eine Steigerung der Flächenwirkungsgrade erwarten. Weitere Kostenoptimierungspotenziale sind
Konzentratortechnologien. Anstelle relativ teurer großer Halbleiterflächen versucht man, mit preiswerten optischen Komponenten, wie Linsen oder Hohlspiegeln, das Licht zu bündeln, um dann mit hoch aufkonzentrierter Lichtstärke kleine aber hocheffiziente Halbleiterflächen zu beleuchten. Damit lassen sich zwar die Halbleiterkosten pro Fläche und pro Watt deutlich reduzieren, jedoch eignen sich Konzentratortechnologien wenig zur Nutzung von Diffus-Strahlung, was in gemäßigten Klimazonen mit häufiger Bewölkung besonders nachteilig ist. Es bedingt besonders hohe Zellenwirkungsgrade, um wenigstens den gleichen Jahresenergieertrag pro Fläche zu erreichen, wie herkömmliche Photovoltaik- Flachzellenmodule. Diese erhöhte Zelleneffizienz zu erreichen, bedingt Stapelzellentechnik (Schichtsysteme mit mehreren verschiedenen Halbleiterschichten) oder die Umwandlung photovoltaisch mit dem gegebenen Photozellen- Halbleiter nicht nutzbarer Wellenlängen in nutzbare Wellenlängen, z. B. mit Photonenteiler- oder Luminiszenz-Schichten. Nachteilig bei solchen Mehrfach-Schichtstapeln ist, dass in Deckschichten bereits ein Teil auch der Strahlungsanteile absorbiert und thermalisiert oder auch reflektiert wird, der eigentlich in den unteren Schichten ankommen soll. Zudem sind mehr Herstellungsschritte erforderlich, die die Kosten erhöhen. Ein ebenfalls bekannter Ansatz, diese Verluste zu reduzieren ist die räumliche Auftrennung solarer Strahlung in seine Lichtfarben. Diese definierten Wellenlängenbereiche des Lichts werden dann auf ebenso räumlich getrennte Solarzellen aus für die jeweilige Lichtfarbe optimierten Halbleitern gerichtet. Holografische Konzentratoren über Beugungsgitter zeigten wiederum neue Verlust- und Problemquellen (Absorptions- und Streuverluste sowie UV-Licht-, Alterungs- und Feuchtigkeitsbeständigkeit der Hologramme) und konnten im Markt bisher keine Verbreitung finden. Interferenzspiegel sind hierfür besser geeignet. Es ist lange bekannt, dass durch Interferenz an dünnen Schichten, Reflexionen verstärkt oder abgeschwächt werden können. Konstruktive Interferenz kommt z. B. bei dielektrischen Spiegeln und optischen Farbfiltern zum Einsatz und auch Wärmeschutzgläsern, um die Reflexion für einen gewünschten Wellenlängenbereich zu verstärken. Destruktive Interferenz nutzt man für entspiegelnde Schichten, so dass man bei unbeeinflusster Absorption deutlich höhere Transmissionsgrade z. B. bei Glasscheiben und fotooptischen Linsen erzielen kann (Unterdrückung von Reflexionen) . Durch Übereinanderschichten von vielen hochtransparenten dielektrischen Schichten, durch Variation der Schichtdicken und Brechungsindizes, kann man mit konstruktiver Interferenz auch größere spektrale Bandbreiten abdecken und hohe Reflexionsgrade bis über 99% erzielen. So haben sich z.B. abwechselnde o/4 Schichten aus Siliziumdioxid und Tantalpentoxid als Interferenzspiegel bewährt. Die bisherige Herstellung dieser Interferenzspiegel durch Magnetron-Sputtern im Hochvakuum ist um so teurer, je mehr Schichten erforderlich sind. Diese Kosten ergaben bisher keine Kostenvorteile gegenüber der Herstellung von Stapelzellen. Auch andere transparente Stoffe mit sehr unterschiedlichem optischen Brechungsindex können solche Schichtsysteme bilden. In jüngster Zeit gibt es Interferenz- Spiegelfolien aus Kunststoff bzw. es wird auch über Herstellungsprozesse aus kunststoffartigen organischen oder anorganischen Weichgläsern berichtet, die als vergleichsweise preisgünstige Folien im Laminations- und Ziehverfahren auch mit mehreren Hundert <=/4 Schichten herstellbar sind. Problematisch bei solchen Folien ist die UV-Licht- und Alterungsbeständigkeit, Feuchtebeständigkeit, elektrostatische Aufladung (Verschmutzungsneigung) und mechanische Stabilität, was einen Einsatz unter Witterungsbedingungen in Solarkollektoren bisher als wenig geeignet erscheinen ließ und sich Einsatzbereiche solcher farblich schillernder Folien mehr im Bereich dekorativer Verpackungsfolien finden ließen. Ein weiteres Problem beim Einsatz in Solarkollektoren ist die Oberflächenverschmutzung und Haltbarkeit solcher Interferenzspiegel-Schichten unter Witterungsbedingungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für solare Strahlung geeignete Interferenzfilter-Materialien und -anordnungen zu finden, die sich kostengünstig herstellen lassen und deren Verschmutzungsneigung, Verfärbung bzw. Korrosion unter Einfluss wechselnder Temperaturen, Luftfeuchtigkeit auch im Taupunktbereich sowie Staubeinwirkung gering ist.
Die Aufgabe wird folgendermaßen gelöst: Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist, dass das Licht mit beweglichen Interferenzspiegelfolien in mindestens zwei spektrale Wellenlängenbereiche getrennt wird, wobei an jeder Folie jeweils ein Wellenlängenbereich reflektiert und ein Teil transmittiert wird.
Die direkte Sonnenstrahlung wird vorher refraktiv, z. B. mit Fresnel-Linsen, oder reflektiv, z. B. mit Hohlspiegeln oder Fresnel-Hohlspiegeln (Spiegelfeld) , gebündelt. Vor dem optischen Brennpunkt werden eine oder mehrere solche Interferenzspiegelfolien angeordnet, so dass es jeweils einen optischen Brennpunkt für die reflektierte und auch für die transmittierte Lichtfraktion ergibt. Im Bereich dieser optischen Brennpunkte werden Photozellen aus solchen Halbleitermaterialien angeordnet, die für den jeweiligen Wellenlängenbereich eine möglichst optimale Effizienz bei der Umwandlung von Lichtstrahlung in elektrischen Strom aufweisen. Die farbselektiven Interferenzspiegel werden mit Folien realisiert, die wie ein Film im Kino langsam von Rolle zu Rolle durch den Lichtkegel bewegt werden. Dies bietet den Vorteil, dass preiswerte Kunststoff- Folienlaminate verwendet werden können. Viele optisch transparente, aber preiswerte Kunststoffe weisen bei starker Lichteinwirkung, insbesondere bei UV-haltiger Solarstrahlung Alterungserscheinungen auf, wie allmähliches Vergilben, Versprödung mit Festigkeitsverlust oder Schrumpfung. Durch Einwirkung von Feuchtigkeit und Staub kann dieser Prozess verstärkt und auch die optischen Eigenschaften der Oberfläche ungünstig beeinflusst werden. Durch die kontinuierliche Erneuerung des im Lichtkegel befindlichen Folienabschnitts können Funktionsbeeinträchtigungen der Filterspiegel durch lichtinduzierte Degradation und Verschmutzung zuverlässig vermieden werden. Dieser Filmtransport- Prozess kann je nach Folienwerkstoff und Lichtstärke Wochen, Monate oder Jahre dauern. Je nach Länge der Folienrollen können somit auch sehr lange Betriebszeiten über mehrere Jahre erreicht werden, ohne dass es eines Austauschs und Erneuerung der Folienrollen bedarf. Für die lichtdurchführenden Konstruktionselemente (Fresnel-Linsen,
Interferenzspiegelfolien) der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden vorzugsweise ' Werkstoffe eingesetzt, die neben dem sichtbaren Spektrum auch eine hohe Durchlässigkeit für NIR-Strahlung bis etwa 2 μm aufweisen. Flour-Polymere und Flourid- Weichgläser lassen Sonnenlicht in einem breiten Frequenzspektrum hindurch. Eine Transparenz für UV- Strahlung verringert die Degradation der Folien und verbessert die Energieausbeute. Einsetzbar für einen breiten Spektralbereich bis in den NIR hinein sind dünne Schichtsysteme in Form von thermoplastischen Folien mit transparenten Basiskunstoffen (PMMA, PC, Styrole) mit Anteilen aus Tellur oder Flourverbindungen. Es werden jeweils zwei Kunststofffolien mit unterschiedlichem optischen Brechungsindex im Bereich der Erweichungstemperatur mehrfach übereinander laminiert, bis die Schichtdicke der Einzelschichten ein Viertel der zu reflektierenden Wellenlänge beträgt. Die in den optischen Brennpunkten vor und hinter der bzw. den Interferenzspiegelfolien angeordneten Photozellen werden mit einer hohen Beleuchtungsstärke bestrahlt, typisch im Bereich 50-2500-facher Sonnenkonzentration. Die Zellen benötigen auf ein den zu erwartenden Photostrom abgestimmtes Design (Konzentratorzellen) . Wenn die Bandlücke des Halbleiters gut auf den jeweiligen Lichtfarben- Bereich abgestimmt ist, ist die Quanteneffizienz der photovoltaischen Umwandlung hoch und die Wärmeentwicklung anteilig entsprechend geringer. Die dennoch entstehende Wärme muss jedoch abgeführt werden, z. B. über eine Wasserkühlung. Die Photozellen werden deshalb auf einem Kühlkörper angeordnet, der mit einem Kühlmedium durchströmt werden kann. Neben Wasser und wässrigen Lösungen können dabei auch organische Lösungsmittel, klassische Kältemittel (z. B. R134, Propan, etc.), binäre Lösungen (z. B. Ammoniaklösung) oder unter höherem Betriebsdruck auch Gase (wie Helium) zum Einsatz kommen. Neben dem Betrieb von Heizungen lassen sich so auch z. B. Absorbtionskältemaschinen, ORC-Anlagen (Organic-Rankine-Cycle) , Villumier- Wärmepumpen und MCE-Wandler (Magneto-Caloric-Effect) betreiben.
Ein sehr dünnes Schichtsystem mit thermionischer Funktion aus z. B. Bi2Te3/Sb2Te3 (Thermodiode) zwischen Solarzelle und Kühlkörper kann den entstehenden Wärmefluss teilweise ggf. in elektrischen Strom umwandeln. Somit kann man den elektrischen Wirkungsgrad nochmals erhöhen. Anstelle auf eine Solarzelle kann eine Lichtfraktion auch in einen Lichtwellenleiter (LWL) eingespeist werden. So lässt sich z. B. blaues Licht bei Sonne für photochemische Reaktionen in einem geschlossenen Reaktionsgefäß nutzen, das auch in unbeleuchteten Räumen installiert sein kann.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit refraktiven Konzentratoren ist in Figur 1 dargestellt.
In einem Rahmen 6 sind in der dem Licht zugewandten lichtdurchlässigen oberen Begrenzungsplatte konvexe Fresnel-Linsen 1 eingearbeitet. Sie werden jeweils senkrecht zum Sonnenstand ausgerichtet, wobei die Außenseite der oberen Begrenzungsplatte vorzugsweise eine Antireflex- oder Easy-To-Clean-Beschichtung (schmutz- und wasserabweisende Oberfläche) aufweisen kann. Darunter befindet sich eine untere Begrenzungsplatte 8, die parallel zur oberen Begrenzungsplatte mit den Fresnel-Linsen 1 angeordnet ist und mit dieser und den Seitenwänden des Rahmens 6 einen weitgehend staub- und wasserdichten Kasten bildet. Die Tiefe des Rahmens 6, d. h. der Abstand zwischen oberer Fresnel-Linse 1 und unterer Begrenzungsplatte 8, entspricht etwa der Brennweite der verwendeten Fresnel-Linsen 1. Auf der unteren Begrenzungsplatte 8 befinden sich Germanium- Photozellen für NIR-Strahlung 5b genau an der Stelle, wo der Brennpunkt der Fresnel-Linsen 1 liegt. Sie sind auf Kühlkörper 7 montiert, die mit einer Flüssigkeit durchströmt werden können. Werden die Fresnel-Linsen 1 senkrecht zur Sonne ausgerichtet, bildet sich jeweils ein Lichtkegel und die Strahlung wird auf die jeweilige, im Vergleich zur Fresnel- Linse kleinflächige Germanium-Photozelle für NIR- Strahlung 5b gebündelt. Der Halbleiter Germanium hat eine geringe Bandlücke und ist in einer Photozelle besonders für NIR-Strahlung bis 2 μm effizient, für sichtbares Licht jedoch weniger geeignet. Zwischen den Fresnel-Linsen 1 und der unteren Begrenzungsplatte 8 wird eine mehrere Meter lange Interferenzspiegelfolie 2 in Form eines Bandes angeordnet, das auf eine Spindel 3 aufgewickelt ist. Von dieser abspulenden Spindel 3 wird es im Laufe der Nutzungszeit der Vorrichtung auf eine aufspulende Spindel 4 umgespult, so dass die Interferenzspiegelfolie 2 langsam durch den jeweiligen Lichtkegel der Fresnel-Linsen 1 gezogen wird. Die Interferenzspiegelfolie 2 besteht aus mehreren Lagen von zwei alternierend übereinander geschichteten transparenten Kunststoffen mit unterschiedlichem optischen Brechungsindex, z. B. PMMA und Polystyrol. Alternativ können auch andere Kunststoffe mit besserer UV-Licht-Beständigkeit und NIR-Transparenz zum Einsatz kommen. Die Schichtdicke dieser Kunststofflagen muss im Bereich 88 - 200 nm liegen, wodurch sich eine hohe Reflexion für Wellenlängen im VIS-Bereich (350 - 800 nm) ergibt, während NIR-Strahlung transmittiert wird. Der Abstand dieser Interferenzspiegelfolie 2 zwischen den Fresnel-Linsen 1 und der unteren Begrenzungsplatte 8 ist etwa gleich, so dass der Brennpunkt des von der Interferenzspiegelfolie 2 reflektierten VIS-Lichts sich kurz vor dem Zentrum der Fresnel-Linse 1 der oberen Begrenzungsplatte befindet. In diesem Brennpunkt im Zentrum der Fresnel-Linse 1 wird ebenfalls auf einem flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper 7 eine Silizium-Photozelle für VIS- Strahlung 5a angeordnet. Der Halbleiter Silizium hat eine größere Bandlücke als Germanium und ist in einer Photozelle für VIS-Strahlung 5a einsetzbar, für NIR- Strahlung ab 1,2 μm jedoch nicht geeignet. Anstelle von Silizium und Germanium können auch andere Halbleiter eingesetzt werden, wie GaAs, CdTe, GalnP, InP, GalnN, etc. wie eingangs erwähnt.
In Figur 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die nicht nur zwei sondern vier verschiedene Wellenlängenbereiche (Lichtfarben) auf vier verschiedene Photozellen richtet. Gegenüber der Ausführungsform in Figur 1 kann damit ein noch besserer elektrischer Wirkungsgrad erzielt werden. Die Deckplatte aus Glas ist auf der Außenseite mit einem witterungsbeständigen mehrlagigen Interferenzspiegel-Schichtsystem, z. B. aus Siliziumdioxid und Tantalpentoxid mit jeweils 55 - 110 nm Schichtdicke versehen, das UV- und Blaulicht reflektiert und grüne, gelbe, rote und nahinfrarote Strahlungsanteile bis mindestens 2 μm Wellenlänge transmittiert. Die Glasplatte wird schalenförmig gewölbt geprägt und auf der Innenseite weist sie die Fresnel-Linsen mit frontseitigem
Interferenzhohlspiegel für blaues Licht 10 mit ihren typischen Rillenstrukturen auf. Die schalenförmigen Wölbungen mit dem Interferenzspiegel-Schichtsystem haben jeweils die Funktion eines Hohlspiegels. Wird der Rahmen 6 mit den Fresnel-Linsen mit frontseitigem Interferenzhohlspiegel für blaues Licht 10 senkrecht zur Sonne ausgerichtet, bildet sich durch die schalenförmigen Wölbungen mit dem Interferenzspiegel- Schichtsystem oberhalb dieser Hohlspiegel mit dem reflektierten UV- und Blaulicht jeweils ein Lichtkegel. In den Brennpunkten dieser -Hohlspiegel werden jeweils Photozellen 15a angeordnet, die eine hohe Quanteneffizienz für Blau- und UV-Strahlung aufweisen, z. B. aus InGaP oder CdS. Unter den Fresnel-Linsen mit frontseitigem Interferenzhohlspiegel für blaues Licht 10 entsteht jeweils ein Lichtkegel aus den nicht reflektierten grün, gelb, rot und NIR-Lichtanteilen, die mit erfindungsgemäßen Interferenzspiegelfolien 2 weiter fraktioniert werden. Zwischen den Fresnel-Linsen mit frontseitigem Interferenzhohlspiegel für blaues Licht 10 und der unteren Begrenzungsplatte 8 werden zwei verschiedene Interferenzspiegelfolien 2 in Form von Bändern übereinander angeordnet, die jeweils von einer abspulenden Spindel 3 zu einer aufspulenden Spindel 4 durch den Lichtkegel gespult werden. Eine relative Bewegung der Interferenzspiegelfolien 2 innerhalb des Lichtkegels kann auch durch axialen Versatz der Spindeln 3, 4 in Bezug auf die Zone mit der höchsten Lichtkonzentration erfolgen, da in den Randbereichen des Lichtkegels aufgrund geringerer Strahlungskonzentration und Verweilzeit mit einer geringeren Folienschädigung durch lichtinduzierte Degradation zu rechnen ist. Wenn die Folie von der abspulenden Spindel 3 zu der aufspulenden Spindel 4 umgespult worden ist, kann daher durch axiale Verschiebung der Spindeln 3 und 4 die Folie wieder auf die erste Spindel 3 zurückgespult werden und somit die Nutzungszeit der jeweiligen Interferenzspiegelfolie 2 verlängert werden. Während die erste Interferenzspiegelfolie für grüne und gelbe VIS-Strahlung 12a den Wellenlängenbereich von ca. 440 - 650 nm (grün und gelb) auf eine darauf optimierte Photozelle für grüne und gelbe VIS-Strahlung 25b, z. B. aus GaAs, reflektiert, wird die in einigem Abstand darunter liegende zweite Interferenzspiegelfolie für rote VIS-Strahlung 12b für den Reflexionsbereich von etwa 650 - 1100 nm ausgelegt. In deren oberem Brennpunkt, zwischen den beiden Interferenzspiegelfolien 2 angeordnet, kann z. B. eine doppelseitige Photozelle für rote VIS-Strahlung 15c ihre optimale Effizienz entfalten. Das Gehäuse für die Flüssigkeitskühlung mit dem Kühlkörper 5c der Photozelle 15c ist vorzugsweise transparent für den Strahlungsbereich 650 - 2000 nm, ebenso wie das Kühlmedium. Die untersten Photozellen für NIR- Strahlung 5d auf der unteren Begrenzungsplatte 8 sind wiederum für die NIR-Strahlung 1,1 - 2 μm optimiert, und könnten beispielsweise aus dem Halbleiter Germanium oder InGaAs bestehen. Mehrere solcher Rahmen 6 können auf geeigneten Gestellen oder an Masten montiert werden, ausgestattet mit Drehantrieben, die die Rahmen 6 jeweils senkrecht zur aktuellen Sonnenposition ausrichten, so dass die direkte Lichtstrahlung durch die Fresnel-Linsen mit frontseitigem Interferenzhohlspiegel für blaues Licht 10 immer auf die Photozellen fokussiert ist.
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit reflektivem Konzentrator dargestellt, bei der das Aufkonzentrieren der Sonnenstrahlung mit Fresnel- Hohlspiegeln 11 erfolgt. Diese können mit Einzelspiegeln, die zur Sonnenstandsnachführung beweglich auf Dach-, Fassaden- oder Freiflächen angeordnet sind, realisiert werden. Die solare Direktstrahlung wird auf einen Solarreceiver in Form eines Rahmens 6 gerichtet, der hinreichend witterungsgeschützt mehrere aus verschiedenen Halbleitern bestehende Photozellen sowie eine oder mehrere erfindungsgemäße Interferenzspiegelfolien 2 enthält, die jeweils von einer abspulenden Spindel 3 auf eine aufspulende Spindel 4 durch den in den Solarreceiver eintretenden Lichtkegel der Fresnel- Hohlspiegel 11 oder durch einen von der ersten Interferenzspiegelfolie für blaue VIS-Strahlung oder UV- und blaue VIS-Strahlung 22a bereits reflektierten Lichtkegel gespult werden. In dieser Ausführungsform werden die Interferenzspiegelfolien 2 so dimensioniert, dass die für die jeweiligen Photozellen 15a, 25b, 15c, 5d ' optimalen Reflexionswellenlängen der einzelnen Interferenzspiegelfolien 22a, 22b, 2c bei einem Beleuchtungswinkel von etwa 45° eintreten.
In Figur 4 ist ein Solarreceiver für die in Figur 3 dargestellte Fresnel-Hohlspiegel-Anordnung gezeigt. Hierbei spiegelt eine im Lichteintrittsbereich des Rahmens 6 angeordnete Interferenzspiegelfolie für blaue und grüne VIS-Strahlung 32a einen definierten Spektralbereich des Lichts, z. B. blau, grün und gelb, auf eine außerhalb des Rahmens 6 befindliche Photozelle für blaue und grüne VIS-Strahlung 45a, z. B. aus GaAs. Die von der ersten Interferenzspiegelfolie für blaue und grüne VIS- Strahlung 32a transmittierten Strahlungsanteile rot und NIR werden auf eine zweite Interferenzspiegelfolie für gelbe und rote VIS- Strahlung 32b gerichtet, die den roten Lichtanteil z. B. auf eine Si-Photozelle für gelbe und rote VIS- Strahlung 35b reflektiert und NIR transmittiert, welches auf eine Germanium-Photozelle für NIR- Strahlung 5c fällt.
In Figur 5 ist ebenfalls ein Solarreceiver für die in Figur 3 dargestellte Fresnel-Hohlspiegel-Anordnung gezeigt. Hier wird die Tatsache ausgenutzt, dass die gleiche Interferenzspiegelfolie für blaue und grüne VIS-Strahlung 32a, bestrahlt mit einem Eintrittswinkel von etwa 0° einen anderen Wellenlängenbereich reflektiert, als dies bei einem flacheren Bestrahlungswinkel, z. B. etwa 45° der Fall ist. Im Ausführungsbeispiel Figur 5. wird die Interferenzspiegelfolie für blaue und grüne VIS- Strahlung 32a eine jeweilige Schichtdicke der alternierenden Kunststoffschichten im Bereich 100 - 132 nm aufweisen und bei senkrechter Bestrahlung das blaue und grüne Licht reflektieren, während gelb, rot und NIR transmittiert werden. Passiert dieser zunächst transmittierte Strahlungsanteil nochmals die gleiche Folie, nun aber in einem steileren Winkel, z. B. ca. 40° - 50°, wird nun auch das gelbe Licht reflektiert, während rot und NIR wiederum weitgehend transmittiert werden. In Figur 6 ist dargestellt, dass ein oder mehrere der mit Interferenzspiegelfolien 2 aufgetrennten Lichtanteile auch anstelle einer Photozelle in einen Lichtwellenleiter 9, z. B. flüssigkeitsgefüllter Schlauch, eingespeist und über begrenzte Entfernungen an einen anderen Ort transportiert werden können. Dieser Anwendungsfall wird anhand der bereits auf Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung mit refraktivem Licht-Konzentator aufgezeigt. Der Brennpunkt der Fresnel-Linse 1 liegt bei genauer Sonnenstandsausrichtung im Bereich des Glasfasereintritts. Eine beliebige Anzahl solcher Lichtwellenleiter 9, wird zusammengefasst und die Strahlung kann am anderen Ende dieser Lichtwellenleiter 9 z. B. auf einen photochemischen Reaktor, auf eine Photozelle für NIR-Strahlung 55b oder andere zu beleuchtende Flächen bzw. Räume gerichtet werden. Dies kann Vorteile bieten. So kann sich ein Photoreaktor in einem separaten Raum (beheizt oder wärmegedämmt) oder eine Photozelle direkt in einem Kühlwasserreservoir (z. B. Swimmingpool) befinden. Anstelle von z. B. Quarzglas- Lichtwellenleitern sind auch flüssigkeitsgefüllte Schläuche als LWL einsetzbar, wobei Wärmeverluste reduziert und Die Kühlung einer Photozelle vereinfacht werden kann
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich von bisher bekannten Solarkollektoren sowie von anderen Lichteinspeisevorrichtungen für Lichtwellenleiter dadurch, dass das Licht mit beweglichen Interferenzspiegelfolien 2 in mindestens zwei spektrale Wellenlängenbereiche getrennt wird, wobei an jeder Interferenzspiegelfolie 2 jeweils ein Wellenlängenbereich reflektiert und ein Teil transmittiert wird. Die direkte Sonnenstrahlung wird vorher refraktiv, z. B. mit Fresnel-Linsen 1, oder reflektiv, z. B. mit Hohlspiegeln oder Fresnel- Hohlspiegeln 11 (Spiegelfeld), gebündelt. Vor dem optischen Brennpunkt werden eine oder mehrere solche Interferenzspiegelfolien 2 angeordnet, so dass es jeweils einen optischen Brennpunkt für die reflektierte und auch für die transmittierte Lichtfraktion ergibt. Im Bereich dieser optischen Brennpunkte werden Photozellen aus solchen Halbleitermaterialien angeordnet, die für den jeweiligen Wellenlängenbereich eine möglichst optimale Effizienz bei der Umwandlung von Lichtstrahlung in elektrischen Strom aufweisen. Die farbselektiven Interferenzspiegel werden mit Interferenzspiegelfolien 2 realisiert, die langsam von Rolle zu Rolle über die Spindeln 3 und 4 durch den Lichtkegel bewegt werden.
Die Erfindung bietet mehrere Vorteile. Die Konzentratortechnologie hat den Vorteil, dass das Licht mit relativ preiswerten optischen Komponenten (Spiegel, Fresnel-Linsen) auf nur kleine Halbleiterflächen konzentriert wird und so teurer Halbleiterfläche eingespart wird.
Das Auftrennen der Solarstrahlung in mehrere Wellenlängenbereiche (Lichtfarben) bietet den Vorteil, dass verschiedene Halbleiter-Photozellen, die auf die jeweiligen Wellenlängen optimiert sind, mit einer höheren photovoltaischen Umwandlungseffizienz betrieben werden können, was den elektrischen Wirkungsgrad insgesamt verbessert.
Das langsame Spulen mit den Spindeln 3 und 4 der Interferenzspiegelfolien 2 von Rolle zu Rolle durch den Lichtkegel hat den Vorteil, dass eventuell auf diese Oberfläche gelangte Schmutzpartikel und Schäden durch Feuchtigkeit, eingebrannte Schmutzpartikel und lichtinduzierte Degradation nicht ' dauerhaft beeinträchtigend wirken, da die beanspruchten Folienabschnitte laufend erneuert werden. Diese dünnen Interferenzspiegelfolien 2 können aus sehr preisgünstigen und großtechnisch verfügbaren Kunststoff-Rohstoffen in Massenproduktion durch Laminations-, Walz- bzw. Ziehverfahren hergestellt werden. Es bedarf keiner kostenaufwändigen CVD- oder Epitaxie-Abscheideverfahren im Hochvakuum.
In Dach- und Fassadenkonstruktionen integrierte bewegliche Fresnel-Hohlspiegel 11, wie in Figur 3 dargestellt, haben zudem den Vorteil, däss sie mit flächigen Schwachlicht-Solarflächen, wie z. B. die DSC-Technologie (Dye Sensitized Cell) kombiniert werden können, wobei bei Bewölkung die Fresnel- Hohlspiegel 11 so gedreht werden, dass diese DSC- Flächen optimal beleuchtet werden. So kann sowohl direkt gerichtetes als auch diffuses (Streu-) Licht in einem großen Spektralbereich genutzt werden, wodurch sich der Jahresenergieertrag beträchtlich steigern lässt. Die geräuschlosen und weitgehend wartungsfreien Kollektorflächen können zudem optimal in bestehende Besiedlungsgebiete integriert, an Gebäuden, Straßenlaternen und Masten befestigt werden, da die Kollektorflächen nicht zusammenhängend sein müssen und aus vielen kleinen, auch unterschiedlich designerisch gestalteten Formen und „Inseln" bestehen können, die zu hohen Lichtleistungen zusammenführbar sind. Der Wirkungsgrad sollte bei geeigneter Dimensionierung der Interferenzspiegelfolien 2 und Halbleiterflächen sowie bei exakter Ausrichtung zur Sonne deutlich höher als bei herkömmlichen Photovoltaik-Anlagen sein. Durch deutlich geringeren Investitionsaufwand und problemlose Standortwahl dürfte jedoch eine höhere Wirtschaftlichkeit auch im Vergleich zu Diffuslicht nutzenden Flächenmodulen zu erzielen sein.
Die Einspeisung in Lichtwellenleiter (LWL) bietet den Vorteil, dass die aufkonzentrierte Lichtenergie großer Flächen jeweils eines definierten
Wellenlängenbereichs über eine begrenzte Entfernung auf nicht geradlinigem Wege transportiert und auf kleinste Flächen fokussiert werden kann. Dieses Licht kann zur Beleuchtung fensterloser Innen- bzw.
Kellerräume dienen. Es lassen sich auch Anlagen zur katalytischen Wasserzerlegung (Wasserstoffgewinnung) , biologischen Abwasserreinigung oder photokatalytische chemische Reaktionen betreiben. Die effektivere Herstellung von Biomasse durch Photosynthese (z. B.
Algenproduktion) wird möglich, indem die Fasern in trübe Flüssigkeiten eingetaucht werden, so dass man keine aufwändigen (nicht wärmeisolierbare) Glasrohrschlangen- Konstruktionen mehr benötigt, wie sie vielfach momentan im Einsatz sind. Rot- und Infrarot-Strahlung sind für die Photosynthese in der Regel nicht nutzbar, so dass sie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung anteilig zur Stromerzeugung genutzt werden können. Photosynthese und Stromerzeugung ist mit anderen Einspeisevorrichtungen für Lichtwellenleiter nicht möglich.
Bezugszeichen
1 Fresnel-Linsen (refraktiver Lichtkonzentrator)
2 Interferenzspiegelfolie
2c Interferenzspiegelfolie für rote VIS-Strahlung bis NIR < llOOnm
3 abspulende Spindel
4 aufspulende Spindel
5a Silizium-Photozellen für VIS-Strahlung
5b Germanium-Photozellen für NIR-Strahlung
5c Photozelle für NIR-Strahlung z. B. aus Ge
5d Photozellen für NIR-Strahlung
6 Rahmen
7 Kühlkörper
7a Kühlkörper, Behälter mit Flüssigkeit gefüllt
7c Kühlkörper der Photozelle 15c untere Begrenzungsplatte Lichtwellenleiter, z. B. flüssigkeitsgefüllter Schlauch Fresnel-Linsen mit frontseitigem Interferenzhohlspiegel für blaues Licht Fresnel-Hohlspiegel (reflektiver Lichtkonzentrator) a Interferenzspiegelfolie für grüne und gelbe VIS-Strahlung b Interferenzspiegelfolie für rote VIS-Strahlung bis NIR < llOOnm a Photozellen für blaue VIS-Strahlung c Photozellen für rote VIS-Strahlung bis NIR < llOOnm a Interferenzspiegelfolie für blaue VIS-Strahlung oder UV- und blaue VIS-Strahlung b Interferenzspiegelfolie für grüne und gelbe VIS-Strahlung b Photozellen für grüne und gelbe VIS-Strahlung a Interferenzspiegelfolie für blaue und grüne VIS-Strahlung b Interferenzspiegelfolie für gelbe und rote VIS-Strahlung bis NIR < llOOnm b Photozelle für gelbe und rote VIS-Strahlung bis NIR < llOOnm , z. B. aus Si a Photozelle für blaue und grüne VIS-Strahlung, z. B. aus GaAs b Photozelle für gelbe und rote VIS-Strahlung, z. B. aus Si a Photozellen für VIS-Strahlung b Photozelle für NIR-Strahlung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Energieumwandlung solarer Strahlung in elektrischen Strom und Wärme mit farbselektiven ein oder mehreren Interferenzfilterspiegeln, welche die Sonnenstrahlung in verschiedene Wellenlängenbereiche aufsplitten und auf mehrere für verschiedene Lichtfarben optimierte Halbleiter-Photovoltaikzellen konzentrieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht mit beweglich angeordneten Interferenzspiegelfolien (2) in mindestens zwei spektrale Wellenlängenbereiche getrennt wird, wobei an jeder Folie jeweils ein Wellenlängenbereich reflektiert und ein Teil transmittiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die direkte Sonnenstrahlung vor der Aufsplittung in zwei oder mehrere Wellenlängenbereiche refraktiv oder reflektiv aufkonzentriert wird und eine oder mehrere in einer oder zwei Ebenen bewegliche Interferenzspiegelfolien (2) vor dem Bereich der höchsten Lichtkonzentration als optischer Brennpunkt so angeordnet werden, dass es jeweils einen optischen Brennpunkt für die von der Interferenzspiegelfolie (2) reflektierte und auch für die durch die 5 Interferenzspiegelfolie (2) transmittierte Lichtfraktion ergibt, wobei . sich die geometrische Lage dieser Brennpunkte durch die ein- oder zweidimensionale Bewegung der Interferenzspiegelfolien (2) nicht oder nur 10 unwesentlich ändert.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Interferenzspiegelfolie (2) außer dem Umspulen 15 von Spindel (3) zu Spindel (4) auch durch axialen Versatz der Spindeln (3 und 4) in Bezug auf die Zone mit der höchsten Lichtkonzentration erfolgt.
20 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Umspulen der Interferenzspiegelfolie (2) kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgt.
25 5. Vorrichtung eines Konzentrator-Solarkollektors mit farbselektiven Spiegeln dadurch gekennzeichnet, dass in einem gegebenen Rahmen (6) des Solarkollektors oberhalb zum Sonnenlicht hin Linsen, vorzugsweise Fresnel-
30. Linsen (1), angeordnet sind und im optischen Brennpunkt der Linse eine Photozelle vorhanden ist und zwischen der Linse und der Photozelle beweglich eine Interferenzspiegelfolie (2) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die farbselektive Interferenzspiegelfolie (2) jeweils mit einem flexiblen Folien-Film ausgeführt* ist, der jeweils mit einem Abschnitt langsam durch Umspulen von Spindel (3) zu Spindel (4) durch die aufkonzentrierte solare Strahlung beweglich ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines oder mehrerer dieser optischen Brennpunkte Photozellen aus solchen Halbleitermaterialien angeordnet sind, deren Bandlücke auf den jeweiligen Wellenlängenbereich abgestimmt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines oder mehrerer dieser optischen Brennpunkte jeweils ein Ende eines Lichtwellenleiters (9) oder ein Übergangsstück zu einem solchen Lichtwellenleiter angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Photozellen auf Kühlkörpern (7) angeordnet sind, die von einer Flüssigkeit durchströmt sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Photozellen auf Kühlkörpern (7) angeordnet sind, die von einem Gas mit einem Betriebsdruck > 1 bar durchströmt sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den • Photozellen und den Kühlkörpern (7) ein dünnes Schichtsystem aus Halbleitern mit einer Bandlücke von weniger als 0,7 eV angeordnet ist.
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