WO2009115182A2 - Konzentrator für solarstrahlung und dessen verwendung - Google Patents

Konzentrator für solarstrahlung und dessen verwendung Download PDF

Info

Publication number
WO2009115182A2
WO2009115182A2 PCT/EP2009/001470 EP2009001470W WO2009115182A2 WO 2009115182 A2 WO2009115182 A2 WO 2009115182A2 EP 2009001470 W EP2009001470 W EP 2009001470W WO 2009115182 A2 WO2009115182 A2 WO 2009115182A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
solar
concentrator according
concentrator
structuring
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/001470
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009115182A3 (de
Inventor
Harry Wirth
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority to CN200980109248.9A priority Critical patent/CN101978225B/zh
Priority to US12/736,092 priority patent/US8889982B2/en
Priority to EP09722269A priority patent/EP2263049A2/de
Publication of WO2009115182A2 publication Critical patent/WO2009115182A2/de
Publication of WO2009115182A3 publication Critical patent/WO2009115182A3/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/10—Prisms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/80—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors having discontinuous faces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/106—Beam splitting or combining systems for splitting or combining a plurality of identical beams or images, e.g. image replication
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/12—Beam splitting or combining systems operating by refraction only
    • G02B27/126—The splitting element being a prism or prismatic array, including systems based on total internal reflection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0547—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/20—Solar thermal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention relates to a concentrator arrangement for solar radiation, which has a radiation divider for deflecting solar radiation by means of total reflection. Furthermore, the invention relates to a device for concentrating and converting solar energy, comprising such a concentrator and at least one device for the conversion of solar energy. Such devices for the conversion of solar energy are, for example, solar cells, solar modules or thermal solar collectors.
  • the concentrators according to the invention are used for the concentration of solar radiation as well as in solar shading.
  • the principle is based on concentrating solar radiation with mirrors and / or lenses and directing it to special concentrator solar cells. This reduces the photovoltaically active area and thus the necessary amount of expensive solar cell materials. By concentrating the solar radiation, which acts on photovoltaically active surfaces, the costs for the solar power can be reduced. This applies in particular to regions with a high proportion of direct radiation.
  • a concentrator for solar radiation which has at least one radiation divider for deflecting solar radiation.
  • the beam splitter has a structuring on the side facing away from the solar radiation, which deflects solar radiation incident on the beam splitter into two different directions by means of total reflection.
  • the structuring according to the invention of the radiation splitters leads to a deflection of the incident solar radiation with a high deflection angle, whereby the active surfaces, via which the conversion of solar energy takes place, can be arranged very close to the radiation splitter and thus enable a very compact arrangement of the module.
  • Another advantage is that, despite the flat design of the concentrator according to the invention, shading losses can be largely prevented.
  • the structuring consists of several structural elements that repeat periodically over the entire surface.
  • the structuring consists of a plurality of differing structural elements, the individual structural elements being coordinated with each other in such a way that at least partial concentration of the deflected ones is achieved Radiation takes place on the active surface.
  • the structuring is preferably in the form of substantially isosceles prisms.
  • such prisms have a base angle in
  • a preferred embodiment provides that the base angles of the prisms are varied so that at least partial concentration of the deflected radiation takes place.
  • the beam splitter preferably consists of a structurable substrate with a transmission of at least 85% in the wavelength range from 400 to 1100 nm. These include in particular glass and / or polymeric materials.
  • the surface of the substrate facing the at least one photovoltaically active surface has a structuring.
  • the radiation divider consists of a substrate with a transmission of at least 85% in the wavelength range from 400 to 1100 nm, the surface of the substrate facing the at least one photovoltaically active surface being a structured layer of a polymer material having.
  • This polymer material is preferably selected from the group consisting of fluorine, acrylate and / or silicone polymers.
  • the structuring of the radiation splitter has a structure depth substantially the same across the entire surface in the direction the surface normal of the surface, which is preferably in the range of 10 microns to 20 mm, more preferably in the range of 50 microns to 5 mm.
  • the structuring may have been introduced by casting, injection molding, extrusion and / or embossing.
  • the beam splitter can preferably also be designed as a flat disk or plate.
  • the beam splitter can have a spectrally selective transmission in favor of the photovoltaically usable spectral component, i.a. with maximum transmissions in the range of 400 nm to 1100 nm.
  • a solar energy concentrating and conversion device comprising at least one concentrator as described above and at least one solar energy conversion device.
  • the at least one concentrator is positioned in such a way that the solar radiation deflected by the radiation splitter is directed onto the at least one device for the conversion of solar energy.
  • the device for the conversion of solar energy is preferably solar cells, solar modules or thermal solar collectors.
  • a further preferred embodiment of the device provides that the device for the conversion of solar energy on the solar radiation facing surface has an antireflection coating.
  • This is preferably made of a material having a lower refraction of light relative to the substrate material of the solar energy conversion device.
  • corresponding ma- terialan extracten eg nanoporous glass, are used.
  • the device for concentrating and converting solar energy additionally has an arrangement for one- or two-axis tracking relative to the sun position.
  • the previously described concentrators for concentrating solar radiation are used on photovoltaically active components.
  • the concentrators can be used to construct concentrating photovoltaic modules.
  • Commercially available silicon cells or silicon modules for non-concentrating use can be used as cells or modules. If these photovoltaic modules are tracked, they can also be mounted on conventional solar trackers. It is also possible for such systems to be manually tracked uniaxially to the sun on a daily basis.
  • the concentrators according to the invention can be used in conjunction with thermal solar collectors which bring about a conversion of solar energy into heat.
  • the concentrators according to the invention can also be used in or as sun protection slats for buildings.
  • the lamellae could be rotated about their longitudinal axis and thus uniaxially traceable.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a radiation divider used in accordance with the invention.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a concentrator according to the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the arrangement of a plurality of radiation splitters in conjunction with corresponding active areas.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a second variant of a concentrator according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a further variant according to the invention of a radiation splitter.
  • a radiation divider 1 is shown in cross-section, the incident solar radiation by +/-
  • the light beam 3 is deflected so that it leaves the beam splitter as the light beam 4, while the light beam 3 'is deflected so that it leaves the beam splitter as a beam 4'.
  • the radiation is completely deflected even without refraction. Occurring reflection losses at the interfaces of the radiation divider to the air are about 8%. These reflection losses can be reduced to a value of about 3%, provided appropriate antireflection coatings are used.
  • FIG. 2 depicts a concentrator according to the invention, which has a radiation divider 1, via the solar radiation 3 into a first beam 4 and a second beam 4 'is deflected.
  • the beam 4 is thereby deflected onto the active surface 5, for example a solar cell surface, while the second beam 4 'is deflected onto the photovoltaically active surface 5'.
  • a geometric concentration can be achieved by a factor of 1.5.
  • FIG. 2 of one radiation divider and two photovoltaically active surfaces can be continued in any desired way in both spatial directions, e.g. an array-like arrangement.
  • a geometric concentration results by a factor of 2.
  • An example of this is shown in Fig. 3, in which a linear array of radiation splitter 1 and active surfaces 5, 5 'and 5' ', e.g. Solar cell surfaces, is shown.
  • the incident solar radiation 3 is in this case e.g. divided by the beam splitter 1 'into two beam bundles 4 and 4', which then fall on the corresponding active surfaces 5 and 5 '.
  • FIG. 4 shows a further variant of the concentrator according to the invention.
  • incident sunlight 3, 7 is deflected by the beam splitter 1.
  • the two beams 3 and 7 meet at different locations on the beam splitter 1, wherein in the respective areas different structural elements are formed.
  • the deflected beam 4 of the collapsed sunbeam 3 with the deflected beam 8 of the collapsed sunbeam 7 meet at a point on the photovoltaically active surface 5 and so there is a concentration of sunlight at this point.
  • the photovoltaically active areas can be halved, whereby the geometric concentration increases from a factor of 2 to a factor of 3 or more.
  • a variant of the invention is shown, which is based on an asymmetric principle.
  • the flank angle of the flanks 2 and 2 ' are here 59 ° and 66.7 °.
  • solar radiation 3 is deflected at a different angle than solar radiation 3 '.

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

Patentansprüche
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 .
PCT/EP2009/001470 2008-03-17 2009-03-02 Konzentrator für solarstrahlung und dessen verwendung WO2009115182A2 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200980109248.9A CN101978225B (zh) 2008-03-17 2009-03-02 太阳辐射的聚集器及其用途
US12/736,092 US8889982B2 (en) 2008-03-17 2009-03-02 Concentrator for solar radiation and use thereof
EP09722269A EP2263049A2 (de) 2008-03-17 2009-03-02 Konzentrator für solarstrahlung und dessen verwendung

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008014618A DE102008014618B4 (de) 2008-03-17 2008-03-17 Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie
DE102008014618.8 2008-03-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2009115182A2 true WO2009115182A2 (de) 2009-09-24
WO2009115182A3 WO2009115182A3 (de) 2010-08-26

Family

ID=40983890

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/001470 WO2009115182A2 (de) 2008-03-17 2009-03-02 Konzentrator für solarstrahlung und dessen verwendung

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8889982B2 (de)
EP (1) EP2263049A2 (de)
CN (1) CN101978225B (de)
DE (1) DE102008014618B4 (de)
WO (1) WO2009115182A2 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009049228A1 (de) * 2009-10-13 2011-08-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie
US20110100418A1 (en) * 2009-11-03 2011-05-05 Palo Alto Research Center Incorporated Solid Linear Solar Concentrator Optical System With Micro-Faceted Mirror Array
DE102011000041A1 (de) 2011-01-05 2012-07-05 Bpe E.K. Solarmodul
DE102014006126B3 (de) * 2014-04-24 2015-06-11 Friedrich Grimm Röhrenkollektor mit einem konzentratorelement und einem empfängerelement
WO2016148668A2 (en) * 2015-03-16 2016-09-22 T. C. Marmara Universitesi A solar energy system allowing the spread of the unit of light beam to a larger receiver surface in the same unit area

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4337759A (en) * 1979-10-10 1982-07-06 John M. Popovich Radiant energy concentration by optical total internal reflection
EP0144611A1 (de) * 1983-10-27 1985-06-19 M.A.N. Technologie GmbH Strahlenteiler
WO2000070275A1 (de) * 1999-05-18 2000-11-23 Powerpulse Holding Ag Strahlungsleiteinrichtung
WO2001055650A2 (en) * 2000-01-20 2001-08-02 Bd Systems, Llc Self tracking, wide angle, solar concentrators
US20060139749A1 (en) * 2002-10-31 2006-06-29 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Contrast improving sheet and rear projection screen provided with the same
US20070228914A1 (en) * 2006-03-28 2007-10-04 Ji-Suk Kim Filter and display apparatus having the same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4200472A (en) * 1978-06-05 1980-04-29 The Regents Of The University Of California Solar power system and high efficiency photovoltaic cells used therein
JPH10221528A (ja) 1996-12-05 1998-08-21 Toyota Motor Corp 太陽電池装置
US6577447B1 (en) * 2000-10-20 2003-06-10 Nikon Corporation Multi-lens array of a wavefront sensor for reducing optical interference and method thereof
US20070227581A1 (en) 2006-03-28 2007-10-04 Zupei Chen Concentrator solar cell module
US20070227582A1 (en) 2006-03-28 2007-10-04 Peter Zupei Chen Low aspect ratio concentrator photovoltaic module with improved light transmission and reflective properties

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4337759A (en) * 1979-10-10 1982-07-06 John M. Popovich Radiant energy concentration by optical total internal reflection
EP0144611A1 (de) * 1983-10-27 1985-06-19 M.A.N. Technologie GmbH Strahlenteiler
WO2000070275A1 (de) * 1999-05-18 2000-11-23 Powerpulse Holding Ag Strahlungsleiteinrichtung
WO2001055650A2 (en) * 2000-01-20 2001-08-02 Bd Systems, Llc Self tracking, wide angle, solar concentrators
US20060139749A1 (en) * 2002-10-31 2006-06-29 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Contrast improving sheet and rear projection screen provided with the same
US20070228914A1 (en) * 2006-03-28 2007-10-04 Ji-Suk Kim Filter and display apparatus having the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009115182A3 (de) 2010-08-26
EP2263049A2 (de) 2010-12-22
CN101978225A (zh) 2011-02-16
CN101978225B (zh) 2014-07-09
US20110083740A1 (en) 2011-04-14
DE102008014618B4 (de) 2012-04-05
DE102008014618A1 (de) 2009-09-24
US8889982B2 (en) 2014-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009008170B4 (de) Verfahren und System zur Lichtkollektion und Lichtenergie-Umwandlungsgerät
DE3741477C2 (de)
DE19907506A1 (de) Photovoltaisches Bauelement, photovoltaisches Modul und Aufstellverfahren für ein photovoltaisches Modul
DE10296508T5 (de) Photovoltaisches Anordnungsmodul-Design für solar-elektrische Energieerzeugungssysteme
DE102012206115B4 (de) Homogenisierender Lichtleitkörper für Solarkonzentratoren und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Leistung
EP1771687A1 (de) Vorrichtung zur konzentration von licht, insbesondere von sonnenlicht
DE102008014618B4 (de) Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie
WO2008034418A2 (de) Solarer mehrstufenkonzentrator und gewächshaus
EP2534701B1 (de) Photovoltaik-vorrichtung sowie dessen verwendung
EP2489079A2 (de) Vorrichtung zur konzentrierung und umwandlung von solarenergie
DE102004001248B3 (de) Stationärer photovoltaischer Sonnenlicht-Konzentrator
WO2008071180A2 (de) Photovoltaik-vorrichtung mit holografischer struktur zum umlenken einfallender sonnenstrahlung, sowie herstellverfahren hierfür
DE7905131U1 (de) Linearer stufen-sonnenkollektor mit geneigten reflektorplatten
DE102006028932A1 (de) Photovoltaikmodul
DE19954954A1 (de) Photovoltaische Wandlereinrichtung
WO1994017340A1 (de) Anordnung zur erzeugung von energie aus sonnenlicht
DE4225130C2 (de) Zweistufige Konzentratoranordnung mit mehreren Solarzellen
DE102008026760A1 (de) Solarzelle mit Lichtfalle und Solarmodul
DE102008020815A1 (de) Photovoltaisches Solarmodul
WO2021151523A1 (de) Photovoltaikbauteil
WO2013163771A1 (de) Rinnenkollektor mit konzentratoranordnung
DE102013219573A1 (de) Fotovoltaikmodul und Verfahren zum Herstellen eines Fotovoltaikmoduls
DE102013013808A1 (de) Solarmodul, Herstellungsverfahren eines zumindest teilweise strahlungsdurchlässigen Deckglases als Bauteil des Solarmoduls, und zumindest teilweise strahlungsdurchlässiges Deckglas als Bauteil des Solarmoduls
DE102012209003A1 (de) Photovoltaik-Anlage mit Justage-Elementen zum Einstellen eines Einfallswinkels elektromagnetischer Strahlung auf Photovoltaik-Zellen der Photovoltaik-Anlage, Verfahren zum Einstellen des Einfallswinkels sowie Verwendung der Photovoltaik-Anlage
WO2011006637A2 (de) Photovoltaikkonzentratorsystem, solarzelle und konzentrator-system mit einem winkelselektiven filter als sekundärkonzentrator

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200980109248.9

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009722269

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12736092

Country of ref document: US