WO2010015362A2 - Solarkraftwerk - Google Patents

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WO2010015362A2
WO2010015362A2 PCT/EP2009/005558 EP2009005558W WO2010015362A2 WO 2010015362 A2 WO2010015362 A2 WO 2010015362A2 EP 2009005558 W EP2009005558 W EP 2009005558W WO 2010015362 A2 WO2010015362 A2 WO 2010015362A2
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Nikolaus Joerg
Robert Frase
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    • 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
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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 solar power plant having at least one tower structure and having a plurality of heliostats which can be aligned with the tower structure.
  • the invention further relates to a method for controlling such a solar power plant by collecting sunlight and aligning the heliostats on the focus of the tower, as well as measuring the available amount of light.
  • solar energy plays a major role. This is conventionally captured by means of collectors and used to heat a medium or converted into electrical energy or other forms of energy such as cold. This raises the one hand, the problem of storing the energy gained, since solar energy is often not available when the energy is needed, and on the other hand, the problem of a non-optimal efficiency, if not the full solar energy (eg morning or evening) is available , Furthermore, the electricity production costs are still relatively high.
  • tower power plants are known in which solar energy is directed to a arranged in the tower head steam generating machine with heliostats.
  • the available at the concentration of solar energy high temperature is utilized, while in the photovoltaic power plants of the power-generating photovoltaic effect is used in semiconductor structures.
  • Such tower power plants are described, for example, in DE 28 52 654 C2, DE 10 2004 044 841 A1, DE 102 39 700 B3, DE 10 2006 053 758 A1 and DE 102 48 068 B4.
  • DE 10 2004 044 841 A1 discloses a heliostat device having a plurality of mirror devices with movable mirrors and at least one drive and a coupling device for the common movement of the mirror surfaces.
  • the coupling device is switchable between a coupling and decoupling of mirror surfaces or groups of mirror surfaces, so as to improve the beam focusing.
  • DE 102 39 700 B3 describes a solar receiver for a solar thermal power plant with a heliostat field that concentrates solar radiation on a receiver (solar module) with a plurality of gas-permeable absorber fields.
  • the receiver is mounted on a tower. Air conducted through the absorber body is heated and used to generate steam.
  • DE 10 2006 053 758 A1 discloses a method for controlling the alignment of a heliostat to a receiver and a solar power plant.
  • the heliostat is aligned by means of an image sensor which is arranged on a mirror device. With the aid of the image sensor, images of the sun and of the predetermined target area are taken and from this the relative position to a given vector of the mirror device is determined.
  • thermo-mechanical load of a plant for solar thermal steam generation by the radiation of a heliostat field is divided into an evaporator section and a superheater section of a steam-generating solar module to comply with maximum allowable heat flux densities.
  • Evaporator section and superheater section are mounted on top of each other on a tower.
  • US 2005/0034751 A1 discloses a trackable heliostat array in which the solar energy with the heliostats is applied to a solar collector, such as a solar panel. concentrated on photovoltaic cells or sterling motors.
  • photovoltaic surface elements on platforms and optimally track the sun.
  • the efficiency of such photovoltaic systems can be increased by concentrator modules in which solar radiation is concentrated with mirrors and / or lenses and directed to specific monolithic concentrator solar cells. This can reduce the required area of expensive solar cell material. It is exploited that the photovoltaic concentrator solar cells are highly efficient and provide solar cell efficiencies of over 37% on ⁇ i-V semiconductor basis.
  • Such photovoltaic concentrator modules consisting of monolithic multilayer concentrator solar cells and this directly associated Fresnel lenses are described, for example, in DE 10 2006 007 427 A1.
  • the photovoltaic concentrator solar cells are multi-layered, with different wavelength adsorbing layers are monolithically stacked on a single substrate. This splits the solar spectrum onto several solar cells made of semiconductor layers with different bandgap energy. This can be reduced by heat generation of hot carriers resulting losses and thus the efficiency can be improved. Heat is generated in particular by photons with an energy that is greater than the band gap, as well as by transmission of
  • III-V Semiconductor Concentrator Cells in FVS Robinson 2003, pages 48 to 52, the technology of III-V semiconductor concentrator cells is described in detail.
  • WO 2007/057894 A2 discloses a concentrator system with heliostats and concentrating solar cells.
  • DE 10 2006 058 845 B3 discloses an inverter with integrated control and regulation for a tracker in order to feed in a solar generator after the sun, so that it is always aligned to the brightest point in the sky.
  • the energy-converting devices in the tower head are relatively complex, heavy and require a complex cooling system.
  • the tower structure must be constructed correspondingly large and statically resilient. This leads to relatively high investment costs.
  • the concentrically used solar cells require a relatively complex module design with integrated, nachbowbaren Fresnel lenses, which are mounted above the concentrator solar cells.
  • US Pat. No. 6,686,533 B2 discloses a solar tower power plant with photovoltaic solar cells which are suitably interconnected in accordance with the solar radiation reaching the solar cells.
  • the heliostats are controlled with an "open-loop" control adapted to the day's course of the sun to the heliostat field, without there being a feedback of the actual orientation of the mirror to the sun in a "closed loop” control with the sun
  • An optical sensor is detected near the mirrors for detecting solar radiation and the heliostats are tracked so that the solar radiation reaching the solar cells is maximum.
  • Object of the present invention is to improve a concentrating solar power plant to the effect that it is cheaper and more economical and has the highest possible efficiency.
  • the object is achieved with the solar power plant of the type mentioned above in that solar modules are arranged on the tower structure and a control device for controlling the orientation of the heliostats on selected solar modules in dependence of operating parameters of at least one of the solar modules and of the available solar radiation power is provided such that an adapted to the need for primary useful energy and / or the respective efficiency of the solar modules selection of solar modules and focusing of the solar radiation line is carried out on the selected solar modules.
  • the alignment and focusing of the heliostats controlled on selected solar cells in dependence on operating parameters of the solar modules.
  • operating parameters of the solar modules such as over a photovoltaic solar cell or a group of interconnected photovoltaic solar cells resulting voltage, of a photovoltaic solar cell or a group of interconnected photovoltaic solar cells flowing current or the temperature in the range of a solar module or a group of them.
  • the operating parameters of all solar modules can be taken into account, or preferably only the operating parameters of a selection scattered on the illuminable surface arranged solar modules or a selection on the surface of scattered arranged groups of solar modules.
  • the operating parameters determine the focal spot of solar energy generated by at least one heliostat, which is concentrated per one heliostat on one or more solar modules, such as photovoltaic concentrator solar cells, depending on the operating parameters. In this way, on the one hand overheating of the solar cells is avoided and on the other hand, the available solar power can be concentrated on such a number of solar modules that they are operated with optimum efficiency. If necessary, then other solar modules or other groups of solar modules are not lit when the solar power is insufficient. It is advantageous if the heliostats each have their own drive means for individual alignment. This makes it possible to achieve a very flexible control of the alignment and focusing of the heliostats on the solar modules. It is also conceivable, however, for heliostats to be grouped together with a drive means assigned to a group, so that a group of heliostats are aligned together on one or more solar modules or groups of solar modules.
  • Groups of photovoltaic solar cells are preferably connected in series to produce sufficient electrical voltage.
  • Several series-connected groups of photovoltaic solar cells are in turn connected in parallel to increase the power, that is, to provide a sufficient current at the mains voltage.
  • the operating parameters of a series-connected group can preferably be used as operating parameters. This means that not a single solar module is used individually for the control, but the operating parameters of a group summarized regardless of how the operating parameters of the individual solar modules of the group.
  • concentrator solar cells are monolithically joined together on a common wafer and connected together to form at least one group. Several wafers are then interconnected again.
  • the wafers should preferably be hexagonal in order to achieve the best possible area utilization.
  • the photovoltaic concentrator solar cells preferably have an area of up to 20 mm 2, and more preferably an area of up to 10 mm 2 . The area should be in the range of 2 to 10 mm 2 .
  • solar cells are preferably multilayer monolithic concentrator solar cells; also called stack cells used.
  • Such solar cells based on HI-V semiconductors can optimally utilize the adsorption spectrum of sunlight while reducing thermal losses.
  • the solar cells on a tower structure can be used in addition to the energy generation also easy to calibrate the orientation of the heliostat of a heliostat field.
  • a field of individual solar modules can thus also be used as a calibration tool, which can preferably be provided mobile with associated (image) evaluation algorithms for the heliostat device. This calibration can also be used during operation of a solar power plant to optimize the efficiency, ie to control the helical orientation.
  • the solar modules provide a plurality of mutually different useful energy forms
  • the solar tower power plant is set up to dynamically deliver the reflected solar radiation to at least one selected solar module with the heliostats depending on the energy demand and / or the solar radiation power available from the heliostats ,
  • the heliostats are controlled in such a way that the focal point focused on the head end of the at least one tower is optimized so that only the desired solar module is charged with solar energy in a combination of different solar modules that several solar modules are acted on in such a way that they always do can be operated at the optimum operating point, or that in the combination of several identical solar modules, the admission of the individual solar modules is made such that, depending on the sun's intensity, an optimal efficiency is achieved.
  • the combination of one or more towers, at the head end of which different solar modules can be located, allows the conversion of the concentrated solar energy into different primary useful forms of energy, such as electrical energy, hydrogen, cooling energy, steam.
  • Solar module generated primary utility energy form can turn in a following
  • Step be completely or partially converted into a secondary form of energy. Also a seawater desalination is conceivable in this context.
  • a tower can carry two or more solar modules, wherein the solar modules per tower can produce the same primary useful energy form or different useful energy forms.
  • the solar modules per tower can produce the same primary useful energy form or different useful energy forms.
  • the solar energy of a heliostat or a co-driven group of heliostats may thus be selectively focused on a selected first tower or part of the first tower to generate energy of a first primary utility energy form while the solar energy of another heliostat or a co-actuated second group of Heliostat is concentrated on a selected second tower or part of the second tower to generate energy of a second primary utility energy form.
  • the illumination of further towers of other heliostats or heliostat groups optimized in terms of efficiency and adapted to the need for useful energy forms, is possible.
  • the solar modules can be any combination eg the following primary Provide useful forms of energy: hydrogen, electricity, steam, hot water, cooling capacity and / or even seawater desalination.
  • a calibration surface on the radiation of the heliostat for calibrating the orientation of the heliostat is focused.
  • a predetermined alignment starting position can be set, from which precise control of the alignment of the heliostats on solar modules mounted on or in the tower can take place.
  • the resulting in the cooling of the solar modules heat energy is further exploited.
  • residual heat energy from the cooling medium of the solar modules can be stored in a water tank and made available there for further use.
  • a device for using the residual energy from the (combined) solar modules which serves, for example, to supply consumers with district heating.
  • a heat pump can also be incurred energy for cooling, which can be made useful.
  • the heat energy in the coolant resulting from the cooling of the solar modules can be used to heat large water tanks for intermediate storage, use by a heat pump at these tanks, or use in the residual heat module for re-heating, for further use in a power generation plant connected downstream. Cold, hydrogen, steam, seawater desalination or used for other external use.
  • the combination of several applications such as one or more power generation solar modules together with one or more hydrogen solar modules, thus enables storage of some of the solar energy while powering and, in turn, burning the hydrogen at night to ensure 24 hours of power generation.
  • the power generation at night can then be made by the power generation module.
  • the combined use of the solar modules thus widens the application areas and at the same time reduce the costs by using the same main components (tower, heliostats, etc.) in different applications.
  • the combined use of the solar modules for example, by sunlight or optionally by applying energy through hydrogen thus allows a long operating time and thus low electricity production costs. In principle, all combinations are conceivable.
  • seawater desalination it may be interesting to couple an electric solar module and a hydrogen solar module with a seawater desalination solar module.
  • seawater desalination it may be interesting to couple an electric solar module and a hydrogen solar module with a seawater desalination solar module.
  • the dimensions of the tower power plant should be optimized so that on the one hand as many standard components can be used and on the other hand, the heliostats are made in a small size. This is advantageous, since there is thus a small wind attack surface and thus the focus on a focal point can be realized more easily.
  • the efficiency and the operating time of the system can be increased if the solar modules work at the optimum operating point.
  • the respective solar module should be designed in an order of magnitude that is less than the maximum amount of energy available through the heliostat surface.
  • all solar modules are equally energized at maximum incidence of light, so that all solar modules operate at the optimum operating point. If the maximum energy is not available, the focus is reduced by the orientation of the heliostat and correspondingly fewer individual solar modules aligned. This ensures that the operational readiness of the system is given even in low light and the individual solar modules work in a respective optimal operating point.
  • the object is further achieved by the method of the type mentioned by repeatedly adjusting the focus of the focus of the tower and the focus of the focus over time with a change in the available amount of energy such that a focus on a larger focal point and / or an alignment on more Solar modules takes place when the maximum amount of energy that can be processed by one solar module is reached, and that focusing on a smaller focal point and / or alignment with fewer solar modules takes place when the total energy distributed over several solar modules is no longer sufficient for an optimum operating point.
  • FIG. 1 sketch of a concentrating photovoltaic solar power plant with a field of photovoltaic solar cells in a tower construction
  • FIG. 2 shows a sketch of a solar cell array constructed from photovoltaic solar cells in a front view
  • FIG. 3 sketch of the solar cell array of Figure 2 in the back view with temperature sensors
  • Figure 4 Sketch of a tower power plant with associated heliostat field.
  • FIG. 1 shows a sketch of a concentrating photovoltaic solar power plant 1, which has at least one tower structure 2 and a heliostat field 3 with a plurality of heliostats 4 which can be aligned with the upper area of the tower structure 2.
  • the heliostats 4 are hereby individually or jointly in groups via suitable drive means 5 in a conventional manner alignable and focusable.
  • Solar radiation of the sun 6 is hereby collected by suitable alignment of the heliostat 4 and focused on a field 7 photovoltaic solar cells, which is arranged in the upper region of the at least one tower 2.
  • a single tower structure 2 can be provided for a heliostat field 3.
  • a control device 8 is connected to the field 7 of photovoltaic solar cells in order to control the individual heliostats 4 or groups thereof as a function of operating parameters of the solar cells via control lines 9 in order to optimize these to align and focus selected solar cells depending on the operating parameters. It is prevented by appropriate control that the solar cells overheat and so-called hot spots arise.
  • the available solar energy can be concentrated on such a number of solar cells that they are optimally illuminated, while another group of solar cells is disregarded and does not contribute to the energy supply to the operating state.
  • FIG. 2 shows a sketch of a field 7 of photovoltaic solar cells 10.
  • a plurality of individual solar cells 8.1 to 8.19 pp. provided that can be lit individually or as a group by one or more heliostat 4.
  • a heliostat 4 can be used to concentrate solar energy on one or more solar cells 10, while other heliostats 4 are provided for illuminating other solar cells 10 or other groups thereof.
  • the solar cells 10 are preferably monolithic, multilayer concentrator solar cells with semiconductor layers which are stacked on a substrate and adsorb different wavelengths, each of which forms a photovoltaic element.
  • the respective heliostats 4 are aligned and focused in accordance with the aforementioned operating parameters such that the solar energy impinging on a solar cell does not exceed a defined limit which ensures safe operation of the solar cells 10.
  • the heliostat 4 are aligned and focused depending on the operating parameters that the solar cells 10 and the entire field 7 of solar cells 10 is operated with optimum efficiency.
  • the field 7 of solar cells 10 also has a cooling.
  • the solar cells 10 can be mounted, for example, on a cooling plate 11, which is cooled by means of a passage of a cooling fluid and / or by means of air cooling.
  • FIG. 3 shows a rear side view of the field 7 of solar cells 10, it being clear that 10 temperature sensors 12 are arranged on the rear side of the individual solar cells. The temperatures determined via the individual temperature sensors 12 are then supplied to the control device 8 as operating parameters.
  • each of the solar cells is assigned its own temperature sensor.
  • Groups of solar cells 10 may also be grouped together to determine with a temperature sensor 12 for such a group, for example, the center of the group, the temperature of that group of solar cells and to use as operating parameters.
  • FIG. 4 shows a sketch of a solar power plant 1 with a tower 2 and with an associated heliostat field 3.
  • the heliostat field 3 consists of a
  • a plurality of heliostats 4 which are individually alignable with suitable actuators.
  • Sunlight is captured by the heliostat field 3 and at least one
  • This at least one focal point is projected onto one or more solar modules 13, which are mounted in the tower head 14 at the upper end of the tower 2.
  • the solar modules 13 are modules known per se for converting the focused solar radiation energy into another form of energy, e.g.
  • a focal point can be on one, several or all of the solar modules mounted in the tower head 14 13 by suitable control of individual heliostat 4 of the
  • Heliostat field 3 focused and aligned.
  • the optimal alignment of the heliostat 4 is in combination with a control device 8 and a Calibration area 15 reached.
  • the control device 8 regulates the optimum calibration of the individual heliostats 4 and on the other hand determines which solar modules 13 should be exposed to solar energy in order to optimize the energy supply of energy currently required by the consumer 16 in the desired energy forms and / or efficiency.
  • the focal length is focused so that the energy density per area is optimally adapted to the respective efficiency of the at least one illuminated solar module 13.
  • the control of the heliostat 4 and in particular the adjustment of the focal length and selection of the number of simultaneously irradiated solar modules 13 takes place in dependence on the available amount of energy, which is measured with a suitable solar energy measuring sensor 17.
  • solar modules 13 are mounted on a tower 2 or more towers which can be illuminated by the heliostat field 3, which generate different primary energy forms from the solar energy provided by the heliostat field 3.
  • the available amount of solar energy can thus be implemented optimally as a function of the respective requirement of energy in different forms of energy and / or as a function of the different efficiencies of the different solar modules 13.
  • the primary useful energy generated by the solar modules 13 can also be transmitted to the consumer 16 directly or after conversion into another secondary useful energy form via suitable energy lines 18, such as power lines, tubes, etc.

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Abstract

Es wird ein Solarkraftwerk (1) mit mindestens einem Turmbauwerk (2) und mit einer Mehrzahl von auf das Turmbauwerk (2) ausrichtbaren Heliostaten beschrieben. Auf dem Turmbauwerk (4) sind Solarmodule (13) angeordnet und es ist eine Steuerungseinrichtung (8) zur Steuerung der Ausrichtung der Heliostaten (4) auf ausgewählte Solarmodule (13) in Abhängigkeit von Betriebsparametern von mindestens einem der Solarmodule (13) und von der zur Verfügung stehenden solaren Strahlungsleistung derart vorgesehen, dass eine an den Bedarf an primärer Nutzenergie und/oder den jeweiligen Wirkungsgrad der Solarmodule (13) angepasste Auswahl von Solarmodulen (13) und Fokussierung der solaren Strahlungsleitung auf die ausgewählten Solarmodule (13) erfolgt.

Description

Solarkraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Solarkraftwerk mit mindestens einem Turmbauwerk und mit einer Mehrzahl von auf das Turmbauwerk ausrichtbaren Heliostaten.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Solarkraftwerkes durch Auffangen von Sonnenlicht und Ausrichtung der Heliostaten auf den Brennpunkt des Turms, sowie Messen der zur Verfügung stehenden Lichtmenge.
Bei der Verwendung alternativer Rohstoffe zur Energiegewinnung spielt die Sonnenenergie eine große Rolle. Diese wird herkömmlicher Weise mittels Kollektoren eingefangen und zur Erwärmung eines Mediums genutzt oder in elektrische Energie oder andere Energieformen wie beispielsweise Kälte umgewandelt. Dabei stellt sich einerseits das Problem der Speicherung der gewonnenen Energie, da Sonnenenergie oftmals nicht dann zur Verfügung steht, wenn die Energie gebraucht wird, und andererseits das Problem eines nicht optimalen Wirkungsgrades, wenn nicht die volle Sonnenenergie (z.B. morgens oder abends) zur Verfügung steht. Ferner sind die Stromgestehungskosten noch immer relativ hoch.
Als konzentrierende Solarkraftwerke sind Turmkraftwerke bekannt, bei denen mit Heliostaten Sonnenenergie auf eine im Turmkopf angeordnete dampferzeugende Maschine gerichtet wird. Hierbei wird die bei der Konzentration von Sonnenenergie verfügbare hohe Temperatur ausgenutzt, während bei den photovoltaischen Flächenkraftwerken der stromerzeugende photovoltaische Effekt in Halbleiterstrukturen eingesetzt wird.
Derartige Turmkraftwerke sind beispielsweise in DE 28 52 654 C2, DE 10 2004 044 841 Al, DE 102 39 700 B3, DE 10 2006 053 758 Al und DE 102 48 068 B4 beschrieben.
So beschreibt z.B. DE 28 52 654 C2 einen Turmreflektor für konzentrierende
BESTÄTIGUNQSKOPIE Solarkraftwerke, bei dem der Absorber nicht auf die Turmspitze gesetzt, sondern am Boden angebracht ist, Auf der Turmspitze befindet sich lediglich ein auf den Absorber ausgerichteter Reflektor mit einer Verspiegelung, die durch eine Profilstruktur aufgenommen ist, die eine aktive Kühlung ermöglicht. Neben der Entlastung des Turms kann der Reflektor so ausgelegt sein, dass eine bessere Bündelung des Sonnenlichts und damit eine höhere Ausbeute erzielt wird.
DE 10 2004 044 841 Al offenbart eine Heliostatenvorrichtung mit einer Mehrzahl von Spiegelvorrichtungen mit beweglichen Spiegeln und mindestens einem Antrieb und einer Kopplungseinrichtung zur gemeinsamen Bewegung der Spiegelflächen. Die Kopplungseinrichtung ist zwischen einer Kopplung und Entkopplung von Spiegelflächen oder Gruppen von Spiegelflächen umschaltbar, um so die Strahlenfokussierung zu verbessern.
DE 102 39 700 B3 beschreibt einen Solarempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk mit einem Heliostatenfeld, das Solarstrahlung auf einen Receiver (Solarmodul) mit einer Vielzahl von gasdurchlässigen Absorberfeldern konzentriert. Der Receiver ist auf einem Turm befestigt. Durch die Absorberkörper geleitete Luft wird aufgeheizt und zur Dampferzeugung genutzt.
DE 10 2006 053 758 Al offenbart ein Verfahren zur Regelung der Ausrichtung eines Heliostaten auf einen Receiver sowie ein Solarkraftwerk. Der Heliostat wird mit Hilfe eines Bildsensors ausgerichtet, der an einer Spiegeleinrichtung angeordnet ist. Mit Hilfe des Bildsensors werden Bilder der Sonne und des vorgegebenen Zielbereichs aufgenommen und hieraus wird die relative Lage zu einem vorgegebenen Vektor der Spiegeleinrichtung bestimmt.
Aus DE 102 48 068 B4 ist bekannt, die thermomechanische Belastung einer Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung zu reduzieren, indem die Strahlung eines Heliostatenfeldes auf einen Verdampferabschnitt und einen Überhitzerabschnitt eines Dampf erzeugenden Solarmoduls zur Einhaltung maximal zulässiger Wärmestromdichten aufgeteilt wird. Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt sind übereinander auf einem Turm angebracht.
US 2005/0034751 Al offenbart ein nachführbares Heliostatenfeld, bei dem die Sonnenenergie mit den Heliostaten auf einen Solarkollektor, wie z.B. photovoltaischen Zellen oder Sterlingmotoren konzentriert wird.
Bekannt ist auch, photovoltaische Flächenelemente auf Plattformen aufzubringen und optimal der Sonne nachzuführen. Die Effizienz derartiger Photovoltaiksysteme kann durch Konzentratormodule erhöht werden, bei denen Solarstrahlung mit Spiegeln und/oder Linsen konzentriert und auf spezielle monolithische Konzentrator-Solarzellen gerichtet werden. Damit kann die benötigte Fläche an teurem Solarzellenmaterial reduziert werden. Es wird ausgenutzt, dass die photovoltaischen Konzentrator-Solarzellen hoch effizient sind und auf πi-V-Halbleiter-Basis Solarzellen- Wirkungsgrade von über 37 % bereitstellen.
Derartige photovoltaische Konzentrator-Module bestehend aus monolithischen mehrschichtigen Konzentrator-Solarzellen und diesem direkt zugeordneten FresnelLinsen sind beispielsweise in der DE 10 2006 007 427 Al beschrieben.
Die photovoltaischen Konzentrator-Solarzellen sind mehrschichtig aufgebaut, wobei unterschiedliche Wellenlängen adsorbierende Schichten auf ein einziges Substrat monolithisch gestapelt werden. Damit wird das Sonnenspektrum auf mehrere Solarzellen aus Halbleiterschichten mit unterschiedlicher Bandlückenenergie aufgespaltet. Hierdurch können durch Wärmeerzeugung heißer Ladungsträger entstehende Verluste reduziert und damit der Wirkungsgrad verbessert werden. Wärme wird insbesondere durch Photonen mit einer Energie erzeugt, die größer als die Bandlücke ist, sowie durch Transmission von
Photon mit einer Energie, welche kleiner als die Bandlücke des verwendeten Halbleiters ist.
In F. Dimroth, A. Bett: „III-V Halbleiter Konzentratorzellen", in FVS Themen 2003, Seiten 48 bis 52 ist die Technologie der III-V Halbleiter Konzentratorzellen ausführlich beschrieben. WO 2007/057894 A2 offenbart ein Konzentratorsystem mit Heliostaten und konzentrierenden Solarzellen.
DE 10 2006 058 845 B3 offenbart einen Wechselrichter mit integrierter Ansteuerung und Regelung für einen Tracker, um einen Solargenerator nach der Sonne nachzufuhren, so dass dieser ständig zur hellsten Stelle am Himmel ausgerichtet ist.
Die energieumwandelnden Einrichtungen im Turmkopf sind relativ aufwändig, schwer und erfordern ein komplexes Kühlsystem. Hierdurch muss auch das Turmbauwerk entsprechend groß und statisch belastbar konstruiert werden. Dies fuhrt zu relativ hohen Investitionskosten.
Die flächig eingesetzten konzentrierenden Solarzellen erfordern andererseits eine relativ aufwendige Modulgestaltung mit integrierten, nachfuhrbaren Fresnel-Linsen, die oberhalb von den Konzentrator-Solarzellen angebracht sind.
US 6,686,533 B2 offenbart ein Solarturmkraftwerk mit photovoltaischen Solarzellen, die entsprechend der die Solarzellen erreichenden Solarstrahlung passend zusammengeschaltet werden. Die Heliostaten werden mit einer „Open-Loop"-Regelung angepasst an den Tagesverlauf der Sonne zu dem Heliostatenfeld angesteuert, ohne dass es eine Rückkoppelung der tatsächlichen Ausrichtung der Spiegel zur Sonne gibt. In einer „Closed-Loop"-Regelung wird der Sonnenstand mit einem optischen Senson in der Nähe der Spiegel zur Detektion der Sonnenstrahlung erfasst und die Heliostaten werden so nachgefühlt, dass die Sonnenstrahlung, die die Solarzellen erreicht, maximal ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein konzentrierendes Solarkraftwerk dahingehend zu verbessern, dass es preiswerter und wirtschaftlicher ist sowie einen möglichst hohen Wirkungsgrad hat.
Die Aufgabe wird mit dem Solarkraftwerk der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass auf dem Turmbauwerk Solarmodule angeordnet sind und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Ausrichtung der Heliostaten auf ausgewählte Solarmodule in Abhängigkeit von Betriebsparametern von mindestens einem der Solarmodule und von der zur Verfügung stehenden solaren Strahlungsleistung derart vorgesehen ist, dass eine an den Bedarf an primärer Nutzenergie und/oder den jeweiligen Wirkungsgrad der Solarmodule angepasste Auswahl von Solarmodulen und Fokussierung der solaren Strahlungsleitung auf die ausgewählten Solarmodule erfolgt.
Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird somit vorgeschlagen, die Heliostaten flexibel auf ausgewählte Solarmodule einer Gruppe von Solarmodulen auszurichten und zu fokussieren, so dass eine Optimierung des Wirkungsgrades des Solarkraftwerkes erreicht wird. Hierzu wird z. B. die Ausrichtung und Fokussierung der Heliostaten auf ausgewählte Solarzellen in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Solarmodule gesteuert. Es erfolgt somit eine Aufnahme von Betriebsparametern der Solarmodule, wie beispielsweise der über einer photovoltaischen Solarzelle oder einer Gruppe zusammen geschalteter photovoltaischer Solarzellen anfallenden elektrischen Spannung, des durch eine photovoltaische Solarzelle oder einer Gruppe zusammen geschalteter photovoltaischer Solarzellen fließenden Stroms oder der Temperatur im Bereich eines Solarmoduls oder einer Gruppe davon. Dabei können die Betriebsparameter aller Solarmodule berücksichtigt werden, oder aber vorzugsweise nur die Betriebsparameter einer Auswahl verstreut auf der anleuchtbaren Fläche angeordneter Solarmodule bzw. einer Auswahl auf der Fläche verstreut angeordneter Gruppen von Solarmodule.
Es ist auch durch die geeignete Ansteuerung der Heliostaten einfach möglich, Überhitzungen (sogenannte Hot Spots) von Solarzellen zu verhindern.
Die Betriebsparameter bestimmen den durch mindestens einen Heliostaten erzeugten Brennfleck an Sonnenenergie, der pro Heliostat auf einen oder mehrere Solarmodule, wie z.B. photovoltaische Konzentrator-Solarzellen, in Abhängigkeit der Betriebsparameter konzentriert wird. Auf diese Weise wird einerseits eine Überhitzung der Solarzellen vermieden und andererseits kann die verfügbare Solarleistung auf eine solche Anzahl von Solarmodule sokonzentriert werden, dass diese mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden. Gegebenenfalls werden dann andere Solarmodule oder andere Gruppen von Solarmodulen nicht beleuchtet, wenn die Solarleistung nicht ausreichend ist. Vorteilhaft ist, wenn die Heliostaten jeweils eigene Antriebsmittel zur individuellen Ausrichtung haben. Damit lässt sich eine sehr flexible Steuerung der Ausrichtung und Fokussierung der Heliostaten auf die Solarmodule erreichen. Denkbar ist aber auch, dass Heliostaten zu Gruppen mit einem einer Gruppe zugeordneten Antriebsmittel zusammengefasst sind, so dass eine Gruppe von Heliostaten gemeinsam auf eine oder mehrere Solarmodule bzw. Gruppen von Solarmodulen ausgerichtet werden.
Gruppen von photovoltaischen Solarzellen sind vorzugsweise in Serie geschaltet, um eine ausreichende elektrische Spannung zu erzeugen. Mehrere seriell verschaltete Gruppen von photovoltaischen Solarzellen sind ihrerseits parallel geschaltet, um die Leistung zu erhöhen, das heißt bei der Netzspannung einen ausreichenden Strom bereit zu stellen.
Bei der Steuerung der Ausrichtung und Fokussierung zugeordneter Heliostaten können als Betriebsparameter vorzugsweise die Betriebsparameter einer seriell verschalteten Gruppe jeweils genutzt werden. Das heißt, dass nicht ein einzelnes Solarmodul individuell zur Steuerung herangezogen wird, sondern die Betriebsparameter einer zusammengefassten Gruppe unabhängig davon, wie die Betriebsparameter der individuellen Solarmodule der Gruppe sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn Konzentrator-Solarzellen monolithisch auf einem gemeinsamen Wafer zusammengeschlossen und miteinander zu mindestens einer Gruppe zusammengeschaltet sind. Mehrere Wafer sind dann wiederum miteinander verschaltet. Die Wafer sollten vorzugsweise sechseckig sein, um eine möglichst optimale Flächenausnutzung zu erreichen. Die photovoltaischen Konzentrator-Solarzellen haben vorzugsweise eine Fläche von bis zu 20 mm2 und besonders bevorzugt eine Fläche von bis zu 10 mm2. Die Fläche sollte im Bereich von 2 bis 10 mm2 liegen.
Als Solarzellen werden vorzugsweise mehrschichtige monolithische Konzentrator- Solarzellen; auch Stapelzellen genannt, genutzt. Durch derartige, auf HI- V Halbleiterbasis aufgebaute Solarzellen kann das Adsorptionsspektrum von Sonnenlicht unter Verringerung thermischer Verluste optimal genutzt werden. Die Solarzellen an einem Turmbauwerk können neben der Energiegewinnung auch einfach zur Kalibrierung der Ausrichtung der Heliostaten eines Heliostatenfeldes genutzt werden. Bei Verlagerung eines Heliostaten ergibt sich eine Veränderung der Betriebsparameter einzelner Solarmodule über das Feld von Solarmodule, wie z.B. der Spannungsverteilung über das Feld von photovoltaischen Solarzellen, die vergleichbar mit einem Flächenbildsensor ausgewertet werden kann. Ein Feld einzelner Solarmodule kann somit auch als Kalibrierwerkzeug eingesetzt werden, das vorzugsweise mobil mit zugehörigen (Bild-)Auswertalgorithmen für die Heliostateneinrichtung bereitgestellt werden kann. Diese Kalibrierung kann auch im laufenden Betrieb eines Solarkraftwerkes zur Optimierung des Wirkungsgrades, d. h. zur Regelung der Helistatenausrichtung eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Solarmodule mehrere voneinander unterschiedliche Nutzenergieformen bereitstellen, und das Solarturmkraftwerk eingerichtet ist, um mit den Heliostaten in Abhängigkeit der Nutzenergieanforderung und/oder der von den Heliostaten zur Verfügung stehenden solaren Strahlungsleistung dynamisch die reflektierte Solarstrahlung auf mindestens ein ausgewähltes Solarmodul abzugeben.
Vorteilhaft ist dabei, dass einerseits die Verwendung von vielen gleichartigen Bauteilen auch für unterschiedliche Anwendungen möglich ist und andererseits durch eine bedarfsorientierte und am Leistungsangebot orientierte Steuerung der Ausrichtung der Heliostaten auf verschiedene Solarmodule ein guter Wirkungsgrad erreicht wird.
Es erfolgt eine Steuerung der Heliostaten derart, dass der auf das Kopfende des mindestens einen Turmes fokussierte Brennpunkt so optimiert ist, dass entweder bei einer Kombination unterschiedlicher Solarmodule nur das gewünschte Solarmodul mit solarer Energie beaufschlagt wird, dass mehrere Solarmodule derart beaufschlagt werden, dass sie stets im optimalen Betriebspunkt betrieben werden können, oder dass bei der Kombination mehrerer gleicher Solarmodule die Beaufschlagung der einzelnen Solarmodule derart vorgenommen wird, dass je nach Sonnenintensität ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird.
Die Kombination eines oder mehrerer Türme, an dessen Kopfende sich unterschiedliche Solarmodule befinden können, ermöglicht die Umwandlung der konzentrierten Sonnenenergie in unterschiedliche primäre Nutzenergieformen, wie beispielsweise elektrische Energie, Wasserstoff, Kälteenergie, Dampf. Die vom
Solarmodul erzeugte primäre Nutzenergieform kann wiederum in einem folgenden
Schritt ganz oder teilweise in eine sekundäre Energieform umgewandelt werden. Auch eine Meerwasserentsalzung ist in diesem Zusammenhang denkbar.
Denkbar ist, dass nur eine primäre Nutzenergieform pro Turm von gleichen Solarmodulen erzeugt wird. Ein Turm kann zwei oder mehr Solarmodule tragen, wobei die Solarmodule pro Turm die gleiche primäre Nutzenergieform oder auch unterschiedliche Nutzenergieformen erzeugen können. Auf einem Turm sind somit entweder nur gleichartige Solarmodule oder unterschiedliche Solarmodule in Kombination montiert, auf die wahlweise auf die in Abhängigkeit von der verfügbaren Sonnenenergiemenge und der angeforderten Bedarfsenergiemenge und Bedarfsenergieform von den Heliostaten des Heliostatenfeldes Sonnenstrahlung fokussiert wird.
Die Solarenergie eines Heliostaten oder einer gemeinsam angesteuerten Gruppe von Heliostaten kann somit wahlweise auf einen ausgewählten ersten Turm oder einen Teil des ersten Turms konzentriert werden, um Energie einer ersten primären Nutzenergieform zu erzeugen, während die Solarenergie eines anderen Heliostaten oder einer gemeinsam angesteuerten zweiten Gruppe von Heliostaten auf einen ausgewählten zweiten Turm oder eines Teils des zweiten Turms konzentriert wird, um Energie einer zweiten primären Nutzenergieform zu erzeugen. In entsprechender Weise ist die hinsichtlich des Wirkungsgrads optimierte und hinsichtlich des Bedarfs an Nutzenergieformen angepasste Anleuchtung weiterer Türme von weiteren Heliostaten oder Heliostatengruppen möglich.
Die Solarmodule können eine beliebige Kombination z.B. folgender primärer Nutzenergieformen bereitstellen: Wasserstoff, Strom, Wasserdampf, Heißwasser, Kälteleistung und/oder sogar Meerwasserentsalzung.
Zur manuellen oder automatischen Ausrichtung der Heliostaten kann sich vorzugsweise an dem Turm eine Kalibrierfläche befinden, auf die Strahlung der Heliostaten zur Kalibrierung der Ausrichtung der Heliostaten fokussierbar ist. Mit Hilfe der Kalibrierfläche kann eine vorgegebene Ausricht-Ausgangsposition eingestellt werden, von der ausgehend eine präzise Steuerung der Ausrichtung der Heliostaten auf an oder in dem Turm angebrachte Solarmodule erfolgen kann.
Vorzugsweise wird auch die bei der Kühlung der Solarmodule anfallende Wärmeenergie weiter ausgenutzt. Hierzu kann Restwärmeenergie von Kühlmedium der Solarmodule in einem Wassertank gespeichert werden und dort zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt werden.
Vorteilhaft ist damit eine Einrichtung zur Nutzung der Restenergie aus den (kombinierten) Solarmodulen vorgesehen, die beispielsweise zur Versorgung von Verbrauchern mit Fernwärme dient. Nach dem Wirkprinzip einer Wärmepumpe kann auch Energie zur Kühlung anfallen, die weiter nutzbar gemacht werden kann. Die bei der Kühlung der Solarmodule anfallende Wärmeenergie im Kühlmittel kann zur Erwärmung großer Wassertanks zwecks Zwischenspeicherung der Energie, zur Verwendung durch eine Wärmepumpe an diesen Tanks oder zur Verwendung im Restwärmemodul zwecks erneuter Erhitzung, zur weiteren Verwendung in einem in einer zweiten Stufe nachgeschalteten Stromerzeugungs-, Kälte, Wasserstoff, Dampf, Meerwasserentsalzungsmodul oder zur anderweitigen externen Verwendung genutzt werden.
Die Kombination mehrerer Anwendungen wie beispielsweise eines oder mehrer Stromerzeugungs-Solarmodule zusammen mit einem oder mehreren Wasserstoff- Solarmodulen ermöglicht somit die Speicherung eines Teils der Sonnenenergie bei gleichzeitiger Stromerzeugung und wiederum die Verbrennung des Wasserstoffs in der Nacht zur Sicherstellung einer 24 Stunden Stromerzeugung. Die Stromerzeugung in der Nacht kann dann durch das Stromerzeugungsmodul vorgenommen werden. Mit der kombinierten Nutzung der Solarmodule erweitert sich somit das Anwendungsgebiete und gleichzeitig sinken die Kosten durch Verwendung von gleichen Hauptkomponenten (Turm, Heliostaten etc..) bei unterschiedlichen Anwendungen. Die kombinierte Nutzung der Solarmodule beispielsweise durch Sonnenlicht oder wahlweise Beaufschlagung von Energie durch Wasserstoff ermöglicht damit eine lange Betriebszeit und somit geringe Stromgestehungskosten. Es sind grundsätzlich alle Kombinationen denkbar. So kann es wirtschaftlich interessant sein, ein Kälte-Solarmodul mit einem Dampf-Solarmodul zu kombinieren um einerseits deine Klimatisierung von Gebäuden (z.B. Produktionshallen) zu ermöglichen und gleichzeitig für eventuelle Produktionsprozesse Heißdampf zur Verfügung zu stellen. Für die Anwendung der Meerwasserentsalzung kann es interessant sein, ein Elektro-Solarmodul und ein Wasserstoff-Solarmodul mit einem Meerwasserentsalzungs-Solarmodul zu koppeln. Somit ist eine autarke Anwendung zur Meerwasserentsalzung gegeben.
Die Dimensionen des Turmkraftwerkes sollten derart optimiert werden dass einerseits auf möglichst viele Standardkomponenten zurückgegriffen werden kann und andererseits die Heliostaten in einer geringen Größe ausgeführt werden. Dies ist vorteilhaft, da somit eine geringe Windangriffsfläche gegeben ist und sich damit die Fokussierung auf einen Brennpunkt einfacher realisieren lässt.
Der Wirkungsgrad und die Betriebsdauer der Anlage lassen sich steigern, wenn die Solarmodule im jeweils optimalen Betriebspunkt arbeiten. Dies kann durch die erfindungsgemäße Steuerung sichergestellt werden. Zu diesem Zweck sollte das jeweilige Solarmodul in einer Größenordung ausgelegt sein, die geringer ist, als die maximale, durch die Heliostatenfläche zur Verfügung stellbare Energiemenge. Durch die Kombination mehrerer gleicher oder unterschiedlicher Solarmodule werden bei maximalem Lichteinfall alle Solarmodule gleichermaßen mit Energie beaufschlagt, so dass alle Solarmodule im optimalen Betriebspunkt arbeiten. Steht nicht die maximale Energie zur Verfügung, wird durch die Heliostatenausrichtung der Brennpunkt verkleinert und auf entsprechend weniger einzelne Solarmodule ausgerichtet. Damit wird erreicht, dass die Betriebsbereitschaft der Anlage auch bei wenig Licht gegeben ist und die einzelnen Solarmodule in einem jeweils optimalen Betriebspunkt arbeiten.
Die Aufgabe wird weiterhin durch das Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch wiederholtes Anpassen der Fokussierung des Brennpunktes des Turms und der Ausrichtung des Brennpunktes über die Zeit bei Veränderung der verfügbaren Energiemenge derart, dass eine Fokussierung auf einen größeren Brennpunkt und/oder eine Ausrichtung auf weitere Solarmodule erfolgt, wenn die maximal von einem Solarmodul verarbeitbare Energiemenge erreicht ist, und dass eine Fokussierung auf einen kleineren Brennpunkt und/oder eine Ausrichtung auf weniger Solarmodule erfolgt, wenn die auf mehrere Solarmodule verteilte Gesamtenergie für einen optimalen Betriebspunkt nicht mehr ausreichend ist.
Vorteilhafte Ausfuhrungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Skizze eines konzentrierenden photovoltaischen Solarkraftwerkes mit einem Feld photovolatischer Solarzellen in einem Turmbauwerk;
Figur 2 - Skizze eines aus photovoltaischen Solarzellen aufgebauten Solarzellenfeldes in der Vorderansicht;
Figur 3 - Skizze des Solarzellenfeldes aus Figur 2 in der Rückseitenansicht mit Temperatursensoren;
Figur 4 - Skizze eines Turmkraftwerkes mit zugehörigem Heliostatenfeld.
Figur 1 lässt eine Skizze eines konzentrierenden photovoltaischen Solarkraftwerkes 1 erkennen, das mindestens ein Turmbauwerk 2 und ein Heliostatenfeld 3 mit einer Mehrzahl von auf den oberen Bereich des Turmbauwerkes 2 ausrichtbaren Heliostaten 4 hat. Die Heliostaten 4 sind hierbei einzeln oder gemeinsam in Gruppen über geeignete Antriebsmittel 5 in an sich bekannter Weise ausrichtbar und fokussierbar.
Solarstrahlung der Sonne 6 wird hierbei durch geeignete Ausrichtung der Heliostaten 4 aufgefangen und auf ein Feld 7 photovoltaischer Solarzellen fokussiert, das im oberen Bereich des mindestens einen Turmes 2 angeordnet ist. So kann wie dargestellt ein einziges Turmbauwerk 2 für ein Heliostatenfeld 3 vorgesehen sein. Es ist aber auch denkbar mehrere Turmbauwerke 2 mit jeweiligen Feldern 7 von photovoltaischen Solarzellen für ein Heliostatenfeld 3 vorzusehen, das wahlweise je nach verfügbarer Sonnenenergie eines oder mehrere dieser Turmbauwerke 2 so versorgt, dass eine optimale Energieausbeute sichergestellt wird.
Eine Steuerungseinrichtung 8 ist mit dem Feld 7 photovoltaischer Solarzellen verbunden, um in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Solarzellen über Steuerleitungen 9 die einzelnen Heliostaten 4 oder Gruppen hiervon anzusteuern, um diese optimal auf ausgewählte Solarzellen in Abhängigkeit der Betriebsparameter auszurichten und zu fokussieren. Dabei wird durch geeignete Ansteuerung verhindert, dass die Solarzellen überhitzen und so genannte Hot-Spots entstehen. Zudem kann durch die Ausrichtung und Fokussierung der Heliostaten 4 in Abhängigkeit von der verfugbaren Sonnenenergie entsprechend des Stands der Sonne 6 erreicht werden, dass die photovoltaischen Solarzellen mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben werden. So kann zur Versorgung des gesamten Solarkraftwerkes nicht ausreichende Sonnenenergie die verfügbare Sonnenenergie auf eine solche Anzahl von Solarzellen konzentriert werden, dass diese optimal beleuchtet werden, während eine andere Gruppe von Solarzellen unberücksichtigt bleibt und nicht zur Energieversorgung in den Betriebszustand beiträgt.
Figur 2 lässt eine Skizze eines Feldes 7 von photovoltaischen Solarzellen 10 erkennen. Hierbei ist eine Vielzahl einzelner Solarzellen 8.1 bis 8.19 pp. vorgesehen, die einzeln oder als Gruppe durch ein oder mehrerer Heliostaten 4 beleuchtet werden können. So kann im Sinne eines Konzentrator-Solarzellenmoduls ein Heliostat 4 genutzt werden, um Sonnenenergie auf ein oder mehrere Solarzellen 10 zu konzentrieren, während andere Heliostaten 4 zur Beleuchtung anderer Solarzellen 10 bzw. andere Gruppen davon vorgesehen sind.
Die Solarzellen 10 sind vorzugsweise monolithische, mehrschichtige Konzentrator- Solarzellen mit auf ein Substrat gestapelten, unterschiedliche Wellenlängen adsorbierenden Halbleiterschichten, die jeweils ein photovoltaisches Element bilden. Durch Überwachung der über den einzelnen photovoltaischen Solarzellen 10 oder Gruppen hiervon anfallenden elektrischen Spannungen bzw. durch die Solarzellen 10 durchfließenden Ströme und/oder im Bereich der einzelnen Solarzellen 10 bzw. der Gruppen hiervon vorherrschenden Temperaturen, die von Solarzelle zu Solarzelle unterschiedlich sein können, kann ein Überhitzen der Solarzellen 10 verhindert werden. Hierzu werden die jeweiligen Heliostaten 4 in Abhängigkeit der vorgenannten Betriebsparameter so ausgerichtet und fokussiert, dass die auf eine Solarzelle auftreffende Sonnenenergie einen definierten Grenzwert, der einen sicheren Betrieb der Solarzellen 10 gewährleistet, nicht überschreitet. Zudem werden die Heliostaten 4 in Abhängigkeit der Betriebsparameter so ausgerichtet und fokussiert, dass die Solarzellen 10 und das gesamte Feld 7 von Solarzellen 10 mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird.
Das Feld 7 von Solarzellen 10 weist zudem eine Kühlung auf. Hierzu können die Solarzellen 10 beispielsweise auf eine Kühlplatte 11 montiert werden, die mit Hilfe eines Durchleitens eines Kühlfluids und/oder mittels Luftkühlung gekühlt wird.
Figur 3 lässt eine Rückseitenansicht des Feldes 7 von Solarzellen 10 erkennen, dabei wird deutlich, dass auf der Rückseite der einzelnen Solarzellen 10 Temperatursensoren 12 angeordnet sind. Die über die einzelnen Temperatursensoren 12 ermittelten Temperaturen werden dann als Betriebsparameter der Steuerungseinrichtung 8 zugeführt.
Denkbar ist, dass nicht jede der Solarzellen ein eigener Temperatursensor zugeordnet ist. Es können auch Gruppen von Solarzellen 10 zusammengefasst werden, um mit einem Temperatursensor 12 für eine solche Gruppe, der zum Beispiel auf das Zentrum der Gruppe ausgerichtet ist, die Temperatur dieser Gruppe von Solarzellen zu bestimmen und als Betriebsparameter zu nutzen.
Figur 4 lässt eine Skizze eines Solarkraftwerkes 1 mit einem Turm 2 und mit einem zugehörigen Heliostatenfeld 3 erkennen. Das Heliostatenfeld 3 besteht aus einer
Mehrzahl von Heliostaten 4, die einzeln mit geeigneten Aktoren ausrichtbar sind.
Sonnenlicht wird durch das Heliostatenfeld 3 eingefangen und zu mindestens einem
Brennpunkt gebündelt. Dieser mindestens eine Brennpunkt wird auf ein oder mehrere Solarmodule 13 projiziert, die im Turmkopf 14 am oberen Ende des Turmes 2 montiert sind. Die Solarmodule 13 sind an sich bekannte Module zur Umwandlung der fokussierten solaren Strahlungsenergie in eine andere Energieform, wie z.B.
Dampf, Elektrizität, etc.
Ein Brennpunkt kann dabei auf eines, mehrere oder auf alle der im Turmkopf 14 montierten Solarmodule 13 durch geeignete Ansteuerung einzelner Heliostaten 4 des
Heliostatenfeldes 3 fokussiert und ausgerichtet werden. Die optimale Ausrichtung der Heliostaten 4 wird in Kombination mit einer Steuerungseinrichtung 8 und einer Kalibrierungsfläche 15 erreicht. Die Steuerungseinrichtung 8 regelt einerseits die optimale Kalibrierung der einzelnen Heliostaten 4 und andererseits ermittelt sie, welche Solarmodule 13 zur Optimierung der Energiebereitstellung von durch Verbraucher 16 momentan geforderter Energie in den gewünschten Energieformen und/oder des Wirkungsgrades mit Sonnenenergie beaufschlagt werden sollten. Zudem wird die Brennweite so fokussiert, dass die Energiedichte pro Fläche möglichst optimal an den jeweiligen Wirkungsgrad des mindestens einen angestrahlten Solarmoduls 13 angepasst wird.
Die Ansteuerung der Heliostaten 4 und insbesondere die Einstellung der Brennweite und Auswahl der Anzahl gleichzeitig angestrahlter Solarmodule 13 erfolgt in Abhängigkeit von der verfügbaren Energiemenge, die mit einem geeigneten Solarenergie-Messensor 17 gemessen wird.
Dabei wird ausgenutzt, dass auf einem Turm 2 oder mehreren von dem Heliostatenfeld 3 anstrahlbaren Türmen Solarmodule 13 angebracht sind, die unterschiedliche primäre Energieformen aus der vom Heliostatenfeld 3 bereitgestellten Solarenergie erzeugen. Die verfügbare Solarenergiemenge kann damit optimal in Abhängigkeit von dem jeweiligen Bedarf von Energie in unterschiedlichen Energieformen und/oder in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Wirkungsgraden der unterschiedlichen Solarmodule 13 umgesetzt werden.
Die von den Solarmodulen 13 erzeugte primäre Nutzenergie kann zudem direkt oder nach Umwandlung in eine andere sekundäre Nutzenergieform über geeignete Energieleitungen 18, wie Stromleitungen, Röhren etc. an den Verbraucher 16 übertragen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Solarkraftwerk (1) mit mindestens einem Turmbauwerk (2) und mit einer Mehrzahl von auf das Turmbauwerk (2) ausrichtbaren Heliostaten, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Turmbauwerk (4) Solarmodule (13) angeordnet sind und eine
Steuerungseinrichtung (8) zur Steuerung der Ausrichtung der Heliostaten (4) auf ausgewählte Solarmodule (13) in Abhängigkeit von Betriebsparametern von mindestens einem der Solarmodule (13) und von der zur Verfügung stehenden solaren Strahlungsleistung derart vorgesehen ist, dass eine an den Bedarf an primärer Nutzenergie und/oder den jeweiligen Wirkungsgrad der Solarmodule (13) angepasste
Auswahl von Solarmodulen (13) und Fokussierung der solaren Strahlungsleitung auf die ausgewählten Solarmodule (13) erfolgt.
2. Solarkraftwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Solarmodul (13) eine photovoltaische Solarzelle (lθ)oder eine Gruppe photovoltaischer
Solarzellen (10) ist.
3. Solarkraftwerk (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsparameter die elektrische Spannung mindestens einer Solarzelle (10) oder mindestens einer Gruppe zusammengeschalteter Solarzellen (10) und/oder der durch mindestens eine Solarzelle (10) oder mindestens eine Gruppe zusammengeschalteter Solarzellen (10) fließende Strom und/oder die Temperatur im Bereich mindestens einer Solarzelle (10) oder mindestens einer Gruppe von Solarzellen (10) ist.
4. Solarkraftwerk (1) Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Gruppen von Solarzellen (10) in Serie geschaltet sind und mehrere seriell verschaltete Gruppe von Solarzellen (10) ihrerseits parallel geschaltet sind, wobei die Betriebsparameter einer seriell verschalteten Gruppe jeweils zur Steuerung der Ausrichtung zugeordneter Heliostaten (4) genutzt werden.
5. Solarkraftwerk (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Heliostaten (4) jeweils eigene Antriebsmittel (5) zur individuellen Ausrichtung haben und/oder dass Heliostaten (4) zu Gruppen mit einem einer Gruppe zugeordneten Antriebsmittel (5) zusammengefasst sind, so dass eine Gruppe von Heliostaten (4) gemeinsam ausgerichtet werden.
6. Solarkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Solarmodule (13), die die solare Strahlung jeweils in voneinander unterschiedliche primäre Nutzenergieformen konvertieren, auf einem jeweils zugeordneten Turm (2) angeordnet sind, und dass das Solarkraftwerk (1) eingerichtet ist, um mit den Heliostaten (4) in Abhängigkeit der Nutzenergieanforderung und/oder der von den Heliostaten (4) zur Verfügung stehenden solaren Strahlungsleistung dynamisch die reflektierte Solarstrahlung auf mindestens ein ausgewähltes Solarmodul (13) abzugeben.
7. Solarkraftwerk (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus der Gruppe von Solarmodulen (13) zur Wasserstofferzeugung, zur Stromerzeugung, zur
Wasserdampferzeugung, zur Heißwassererzeugung, zur Meerwasserentsalzung und zur Kälteleistungserzeugung ausgewählte Kombination von Solarmodulen (13) vorgesehen sind.
8. Solarkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Restwärmeenergie von Kühlmedium der Solarmodule (5) in einem Wassertank gespeichert wird und dort zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt wird.
9. Kalibriereinrichtung für Heliostate (4) von Solarkraftwerken (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Feld einzelner Solarmodule (13) und eine Auswerteeinheit, die zur Ermittlung der Ausrichtung von Heliostaten (4) in Abhängigkeit von der Flächenverteilung von Betriebsparametern, insbesondere der Temperatur und/oder der Spannung und/oder dem Strom, mindestens eines Solarmoduls (13) oder mindestens einer Gruppe davon oder der Änderung der
Flächenverteilung eingerichtet ist.
10. Verfahren zur Steuerung eines Solarkraftwerkes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch:
- Auffangen von Sonnenlicht und Ausrichtung der Heliostaten (4) auf einen Brennpunkt, - Messen der zur Verfügung stehenden Lichtmenge,
- wiederholtes Anpassen der Fokussierung des mindestens einen Brennpunktes der Heliostaten (4) und der Ausrichtung des Brennpunktes über die Zeit bei Veränderung der verfügbaren Energiemenge derart, dass eine Fokussierung auf einen größeren Brennpunkt und/oder eine Ausrichtung auf weitere Solarmodule (13) erfolgt, wenn die maximal von einem Solarmodul (13) verarbeitbare Energiemenge erreicht ist, und dass eine Fokussierung auf einen kleineren Brennpunkt und/oder eine Ausrichtung auf eine verminderte Anzahl von Solarmodulen (13) erfolgt, wenn die auf mehrere Solarmodule (13) verteilte Gesamtenergie für einen optimalen Betriebspunkt nicht mehr ausreichend ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Ermittlung der Ausrichtung von Heliostaten (4) in Abhängigkeit von der Flächenverteilung von Betriebsparametern mindestens eines Solarmoduls (13) oder mindestens einer Gruppe von Solarmodulen (13) oder in Abhängigkeit einer Änderung der
Flächenverteilung der Betriebsparameter, wobei Betriebsparameter insbesondere die Temperatur und/oder die Spannung und/oder der Strom mindestens eines Solarmoduls (13) ist.
PCT/EP2009/005558 2008-08-03 2009-07-31 Solarkraftwerk WO2010015362A2 (de)

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DE102008039320.7 2008-08-24

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