WO2010122009A2 - Solaranlage - Google Patents

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WO2010122009A2
WO2010122009A2 PCT/EP2010/055172 EP2010055172W WO2010122009A2 WO 2010122009 A2 WO2010122009 A2 WO 2010122009A2 EP 2010055172 W EP2010055172 W EP 2010055172W WO 2010122009 A2 WO2010122009 A2 WO 2010122009A2
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optical device
optical
radiation
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Karl-Heinz Krampe
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Sunsail Energy Gmbh & Co. Kg
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention relates to a solar system in the embodiment of a Photovoltaikan- location according to the preamble of patent claim 1.
  • Solar technology is the direct conversion of radiant energy of the sun (or solar energy) into usable forms of energy.
  • the spectrum of solar technology is divided into different subareas, which is distinguished by whether from the solar radiation heat or electrical energy is obtained.
  • a heat transfer medium such as water is heated by the solar energy and provided to the user in the form of hot water or supplied to an energy conversion to usable power.
  • the radiation energy of the sun is converted directly via the solar cells into electrical energy, which is available to the user as solar power.
  • Such a solar system is shown, for example, in DE 20 2007 016 715 U1, in which Fresnel lenses focus the radiation incident from the sun onto a focal line.
  • This very high-energy focal line is able to heat a liquid that runs in a tube, or to act on a photovoltaic cell, so that an energy conversion into usable energy takes place.
  • the Fresnel lens proves to be a particularly efficient way to focus the incident sunbeams on a common point or a common focal line, since each individual prism can be customized and the Fresnel lens compared to a conventional lens both volume and weight saves what can be used for a simplified tracking.
  • an energy converter arrangement consisting of an energy converter and an optical device in the manner of generating usable energy is exposed to radiation such that direct radiation from a radiation source or a radiation transmitter is diffracted by a first optical device onto the energy converter arrangement.
  • a second optical device which differs from the optical effect of the first optical device, directs additional direct radiation from the radiation source or the radiation transmitter onto the energy converter.
  • the optical effect of the second optical device differs by the strength of the diffraction which deflects, scatters or focuses the beam or by the nature of the surface, which generates a diffraction or reflection of the radiation from the first optical device.
  • the use of the second optical device which diffracts or deflects additional solar radiation onto the energy converter, increases the total loading of the energy converter and thus the overall efficiency of the energy converter arrangement, which leads to economic operation of the photovoltaic system.
  • a variant of the invention provides that the second optical device is designed in such a way and / or arranged with respect to the radiation source or the radiation transmitter such that the second optical device in addition to the radiation a first optical device allows direct radiation from the radiation source or the radiation transmitter directly to the energy converter. It is particularly advantageous if the second optical device made of a transparent material such. B. glass or plastic is created and is located in the direct beam path over the energy converter, so that the direct solar radiation is passed through the second optical device through for energy generation to the energy converter.
  • a further variant of this invention provides for arranging a plurality of energy converter arrangements next to each other in series so that the first optical device of the energy converter arrangement is directed to an energy converter of an adjacent energy converter arrangement.
  • all the rays that strike the surface of the photovoltaic system are distributed to the first optical device or the second optical device and are directed to a common energy converter.
  • This arrangement of the first optical device to the energy converter a particularly effective construction of the photovoltaic system is possible because the direct radiation is directed through the first optical device to the energy converter and increases together with the radiation of the second optical device, the efficiency of the photovoltaic system.
  • a particularly good beam path to the energy converter and a slight shading of the first optical device by the second optical device results when the first optical device compared to the second optical device closer to a radiation source and thus in an O ° position of the photovoltaic system above the second optical device is arranged.
  • the holding element is formed from an optical receptacle, an energy converter receptacle and a web section.
  • the optical pickup is arranged opposite the energy converter receptacle on the opposite side of the web section, the energy converter receptacle carrying the energy converter and the optical pickup spacing the first optical device to the energy converter of the adjacent energy converter arrangement.
  • a particularly good optical recording and / or energy converter recording is formed by a substantially U-shaped receptacle, which carries and fixes the first optical device or the energy converter. Alternatively, this recording can also be done by a clamping profile or other known elements of the fastening technique.
  • optical receptacle and / or the energy converter receptacle is designed such that the edge of the first optical device and / or the energy converter engaged removably and positively engages the holding element, secure assembly at a later point in time is possible than mounting the elevation and substructure. In addition, a subsequent disassembly for cleaning, maintenance or replacement of the individual elements is possible.
  • a particularly simple production of the retaining elements provides for the cross-section - consisting of the sections of the optical receptacle, the web section and the energy converter receptacle - essentially S-shaped, wherein the holding element extends perpendicular to its cross-sectional area in a linear direction.
  • This basic structure of the holding element allows the use of rollform or extruded parts which can be made particularly cheap and easy.
  • the holding element has a base section for attachment to a substructure
  • the components of the energy converter arrangement can be attached to the substructure in a particularly simple manner, without having to attach further fastening sections to the holding element.
  • Is there an additional elastic element between the base section and the retaining element that absorbs vibrations, vibrations and torques? sion between the holding element and substructure a particularly rigid arrangement of the energy converter arrangement is possible, whereby the beam path remains constant even with external influences such as wind and not by occurring torsion of the components to each other a tolerance in the beam path leads to a poorer action on the energy converter.
  • a further embodiment provides for the first optical device and the energy converter to be received and supported on the back by a holding element such that no optical losses due to holding sections protruding into the beam path lead to a deterioration of the efficiency.
  • the energy converter arrangements extend between two mutually parallel spaced retaining cheeks, which constitute holding elements.
  • the shadow-intensive optical recordings and energy converter recordings of the previous embodiment can be dispensed with, since the elements are taken on the front side.
  • a plurality of support elements are attached to the cheeks, where the first optical device and the energy converter assembly can be fixed and disassembled as needed.
  • additional holding elements between the optical device and the energy converter can be mounted in the variant with retaining cheeks in order to absorb the dead weight of the components.
  • the device comprising first optical device, energy converter arrangement and supporting element to be rotatably engaged in the retaining cheeks by means of a bolt.
  • a particularly high degree of efficiency of the photovoltaic system is achieved if the surface of the holding element facing the energy converter is mirrored or carries an additionally applied reflective element.
  • the thereby on the holding element impinging direct radiation from a radiation source or a radiation transmitter is additionally directed to the energy converter, which is associated with the holding element, due to the reflection of the reflecting surface.
  • An angle of incidence of the holding element to the vertical between 15 and 45 °, measured in an O ° position of the energy converter arrangement, has proved to be particularly favorable with respect to the installation height and the energy efficiency of the photovoltaic system.
  • the efficiency of the system can be further increased if the angle of attack between 25 and 30 °, especially if the angle of attack is 28 °.
  • the energy converter assembly is particularly stable, which accommodates the beam accuracy, and also more resistant to external influences such. B. wind loads.
  • the efficiency of the photovoltaic system can be further increased if the holding element heat dissipating properties, such. B. from a material with good thermal conductivity and / or heat dissipating elements such. B. cooling fins to increase the surface has. The resulting heat energy due to incident solar radiation on the energy converter can flow through these measures to the environment. This results in a temperature-dependent increase in the efficiency of the energy converter during cooling.
  • the first optical device of the photovoltaic system is designed as an optical beam deflection device.
  • the incident on the first optical device sun rays are thus diffracted by the optical beam deflection device to the associated energy converter.
  • the optics of the beam deflection device can be designed so that the beams are deflected, scattered or focused.
  • the beam deflecting device of the first optical device In order to protect the beam deflecting device of the first optical device sufficiently, it is protected against environmental influences, in particular when using a Fresnel lens structure with a glass surface or similar substance or a surface coating. Through the glass surface, which is mounted above and / or below the beam deflection device, the beam deflection device is protected against dirt, scratching or UV radiation. Preferably, the surfaces are sealed to each other, so that neither between the glass nor between the plastic glass plane impurities can occur. In order to reduce the reflection losses on the otherwise reflecting surface of the beam deflection device, it is advantageous to use anti-reflective glass and / or coated plastic for the first optical device.
  • the jet deflection device may preferably be self-cleaning either by its intrinsic microstructure or provided with a self-cleaning microstructured surface.
  • a particularly efficient construction of the energy converter arrangement is achieved if the deflection angle, measured from a nearly vertical beam path of a radiation source or a radiation transmitter, is diffracted to the optical device between 15 ° and 60 °, preferably between 18 and 60 °. This diffraction angle defines the position of the optical device to the energy converter.
  • a further variant of the photovoltaic system provides for dividing the first optical device so that a plurality of beam deflection devices consisting of sections with different diffraction angles are formed.
  • the first optical device and / or the holding device may have a polygonal or arcuate cross-section, preferably oriented convexly toward the radiation source.
  • the first optical device By providing regular reinforcements, the first optical device can be supported.
  • the resulting increased torsional stiffness allows a more accurate beam guidance of the first optical device to the energy converter, since by wind or NachGermantownen, but also by its own weight or material wear, such.
  • B deflection or tolerances due to thermal expansion, resulting inaccuracies can be intercepted and prevented by the executed example as a steel wire reinforcement.
  • the reinforcement used at periodic intervals preferably acts on the retaining element.
  • the attached at the foot of the holding element energy converter of the energy converter assembly for converting solar energy into usable forms of energy such as preferably electrical or thermal energy consists in a preferred embodiment of a solar cell, the concentrations of two to 20 times, in particular two to six times, is designed.
  • These solar cells for low-focussing systems are uncomplicated and inexpensive to produce compared to highly focussing solar cells.
  • a high conversion efficiency results when using cells based on crystalline silicon or amorphous silicon and when using copper indium or cadmium telluride modules. Higher efficiencies can also be achieved, for example, by means of a tandem or triple cell.
  • the energy converter arrangements of a photovoltaic system are mounted in series next to one another and preferably parallel on a substructure.
  • the energy converter arrangement By attaching the energy converter arrangement on a substructure, it is ensured that no further parts belonging to the photovoltaic system are located between the energy converter arrangement and the radiation source and thus cast no shadow over the energy converter arrangement or are arranged in the beam path between optical device and energy converter.
  • a particularly good substructure is created by the use of cross members, which are arranged side by side, preferably at right angles to the extent of the energy converter arrangement.
  • the energy converter assemblies are fixed to each other and stabilized.
  • a particularly lightweight substructure which in turn is easier to assemble and handle, can be created.
  • the photovoltaic system is tracked by means of a tracking device to the position of the sun. This tracking allows depending on the position of the sun maximum efficiency of the energy converter, which are always acted upon by the tracking with a maximum of solar radiation.
  • the photovoltaic system has both a sun position meter and a drive which transmits the tracking movement to the tracking device, wherein the cross members rocker-like tracked in a common pivot point, the position of the sun.
  • the energy converter arrangements fastened to the substructure are tracked to the position of the sun via a cable arrangement, which consists of tensioning cables arranged side by side, preferably in the Jawerth cable tie principle, wherein the cables transmit the tracking movement to the cross members.
  • a development of the photovoltaic system provides to attach a wind deflector at the lower end of the holding element in continuation of the energy converter.
  • winds acting on the photovoltaic system can be guided particularly effectively by the series-mounted energy converter arrangements, which leads to a lower wind susceptibility of the system, longer service life and lower failures.
  • a particularly high utilization of the solar radiation impinging on the energy converter arrangement is achieved if the optical device is arranged in a 0 ° position of the energy converter arrangement in the manner above the energy converter, that an edge of the optical device, which faces the adjacent energy converter arrangement, substantially is congruent with the edge of the energy converter of a longitudinally adjacent energy converter arrangement.
  • FIG. 1 shows a cross section of a photovoltaic system according to a first variant.
  • FIG. 2 is an overall perspective view of a photovoltaic system with a plurality of juxtaposed energy converter arrangements according to a second variant
  • FIG. 3 shows a cross section of a photovoltaic system with an energy converter arrangement according to a first exemplary embodiment of the second variant
  • FIG. 4 shows a cross section of the photovoltaic system with an energy converter arrangement according to a second exemplary embodiment of the second variant
  • FIG. 5 shows a cross section of the photovoltaic system with an energy converter arrangement according to a third exemplary embodiment of the second variant
  • FIG. 6 shows a cross section of the photovoltaic system with an energy converter arrangement according to a fourth exemplary embodiment of the second variant
  • FIG. 7 shows a cross section of the photovoltaic system with an energy converter arrangement according to a fifth exemplary embodiment of the second variant
  • FIG. 1 cross section of a photovoltaic system according to the invention 1 according to a first variant shows an energy converter assembly 2 consisting of a holding element 4, an energy converter 6 and an optical device 8, 9 consisting of a first optical device 8 and a second optical device 9.
  • Das Retaining element 4 connects the components of the energy converter arrangement 2 in such a way that the optical device is connected rigidly to the energy converter 6 via the holding element 4.
  • This rotational movement allows the photovoltaic system 1, the energy converter assembly 2 dependent on the time of day in the manner uniaxially track the position of the sun, so that the energy converter 6 is always subjected to a maximum of sun rays.
  • the sun rays striking the surface of the first optical device 8 substantially parallel to the energy converter 6 are diffracted, in which the sun rays are deflected, scattered or focused on the prismatic structure, for example a Fresnel lens, of the first optical device 8 in that the surface of the energy converter 6 is optimally exposed to a maximum of solar radiation in order to allow maximum generation of energy.
  • the energy converter arrangement 2 is equipped with an additional second optical device 9, which is located in the direct beam path above the energy converter in an O ° position of the photovoltaic system.
  • the energy converter 6 is exposed to direct solar radiation which strikes the energy converter 6 essentially directly. possible in addition to the directly on the first optical device 8 striking solar radiation, the total loading of the energy converter 6 and thus the overall efficiency of the photovoltaic system increases, resulting in an economic operation of the photovoltaic system.
  • FIG. 1 A particularly economical construction of the photovoltaic system 1 is shown in FIG.
  • a first optical device is arranged to the left and to the right of the second optical device 9, wherein the first optical devices 8 are positioned in the longitudinal direction of the extending photovoltaic systems 1 on the second optical device 9, that, in O ° position of the photovoltaic system seen, the beam path over the energy converter 6 is not affected by the first optical device 8.
  • the second optical device 9 preferably consisting of a continuous glass plate, carries and stabilizes the first optical devices 8, which are preferably Fresnel lenses.
  • FIG. 2 shows a plurality of juxtaposed energy converter arrangements 2, which are composed of the essential components of a holding element 4, an energy converter 6 and an optical device 8. puts.
  • the parallel to each other in series mounted energy converter assemblies 2 are mounted on a substructure 10 of a grid of cross members 12.
  • the substructure 10 forms together with the frame 14, the elevation, wherein the mounted energy converter assemblies are tracked on the substructure 10 by means of a tracking 16 the sun.
  • the photovoltaic system can be fixed on a foundation 18.
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of the energy converter arrangements 2, which, viewed in cross section, are mounted side by side on a substructure 10, consisting of cross members 12.
  • the energy converter assemblies 2, consisting of the holding element 4, the energy converter 6 and the optical device 8, are arranged by the holding element 4 in such a way that the optical device 8 is facing away from the opposite side of the holding element and thus the energy converter, and the is spaced from the energy converter such that the optical device 8 is vertically closer to the sun, compared to the energy converter 6 of the same energy converter assembly 2, by this asymmetric structure of the energy converter assembly 2, the first optical device 8 on the opposite side of the Retaining element 4 carries in relation to the energy converter 6, the following beam path is made possible.
  • the first optical device 8 consists of an optical beam deflection device. This prismatic Fresnel lens structure allows for deflection, scattering or focusing of the beams onto the energy converter 6.
  • the energy converter 6 of the energy converter arrangement 2 consists of a photovoltaic element for generating electrical energy.
  • the energy converter 6 may also consist of a transducer, the energy applied in a further form of energy such.
  • the holding element 4 fulfills a multiplicity of functions.
  • an optical receptacle 22 is mounted, which receives the first optical device 8 at its edge region.
  • the optical receptacle 22 consists of the holding element 4, which is continued in a cranked manner.
  • an additional clamping element 24 is attached to the energy converter arrangement 2 in such a way that the first optical device 8 is clamped between the cranked end of the holding element 4 and the clamping element 24.
  • the optical receptacle 22 is made as small as possible.
  • a web portion 26 of the retaining element 4 connects.
  • This web section 26 spaces the optical receptacle 22 and the attached first optical device 8 to the energy converter 6 and to the substructure 10.
  • the length of the web section 26 is adapted to the total size of the energy converter arrangement 2 and the diffraction angle B of the first optical device 8.
  • an energy converter receptacle 28 connects to the web portion 26 an energy converter receptacle 28 at.
  • the energy converter receptacle 28 fixes on the one hand the energy converter 6 in the energy converter arrangement 2, in this embodiment forms the connection to the substructure 10 and moreover enables a heat removal of the energy converter 6. This dissipated heat is created by the action of the energy converter 6 with solar energy.
  • the energy converter receptacle 28 consists of a material which is particularly thermally conductive and, as can be seen in FIG. 3, lies against the energy converter 6 as extensively as possible.
  • the energy converter receptacle 28 has lateral clamping areas which serve to receive and fix the energy converter 6.
  • the optical receptacle 22 and the energy converter receptacle 28 are designed such that an assembly of the first optical device 8 and the energy converter 6 on site is possible after the holding element 4 has been mounted on the substructure, so as to avoid damage to the sensitive parts during assembly of the elevation.
  • a wind guiding element 30 adjoins the energy converter receptacle 28 of the holding element 4.
  • the photovoltaic system 1 receives less susceptibility to wind, which can be further reduced by the system is pivoted controlled by a wind sensor at an optimum angle to the wind direction.
  • This function of the photovoltaic system 1 leads to a longer operating time and thus to a higher efficiency of the photovoltaic system 1, since the system can produce energy longer in its optimum operating state without being taken out of the wind in order to avoid defects.
  • the energy converter assemblies 2 mounted next to one another on a cross member 12 are pivoted about a common pivot point D by means of a tracking device 16 in order to generate the highest possible efficiency of the energy converter arrangement 2 depending on the position of the sun.
  • Fig. 4 shows a second embodiment of the energy converter assemblies 2, which are seen in cross-section mounted side by side on a substructure.
  • the energy converter arrangements 2, comprising the holding element 4, the energy converter 6 and the first optical device 8, has an additional base section 32, which represents the extension of the web section 26.
  • a more variable connection of the energy converter arrangement 2 to the substructure 10 is possible via this base section 32.
  • both the optical receptacle 22 and the energy converter receptacle 28 is formed as a U-shaped receptacle.
  • the clear width of the U-shaped legs substantially corresponds to the strength of the optical device or of the energy converter 6.
  • the sufficient support of the energy converter 6 is the lower leg the energy converter recording longer designed to provide sufficient support.
  • the total application of the energy converter is composed of indirect radiation and direct radiation.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of the energy converter arrangements 2, which, viewed in cross section, are mounted side by side on a substructure 10.
  • the energy converter arrangements 2, comprising a holding element 4, the energy converter 6 and the first optical device 8, are mounted on the substructure 10 by means of the base section 32.
  • the base portion 32 carries both the energy converter 6, which is reinforced by glass surfaces, as well as the web portion 26 which is inclined in this embodiment by 22 ° from the vertical and at the end of the optical pickup 22 is located, which is a particular to allow easy manufacture and attachment of the first optical device 8, consists of periodically offset folds.
  • the first optical device 8 in the third embodiment is arranged at an angle which directs the rays which strike the ground substantially perpendicular to a larger optical device distributed and this can more precisely bow to the energy converter 6.
  • the beam incident obliquely on the first optical device 8 makes it possible to avoid the total reflection since the angle of incidence on the prism bodies is increased.
  • both the base portion 32 and the web portion 26 made of an aluminum extruded profile.
  • a section of the holding element 4 facing the energy converter 6 is provided with a mirror surface 34, which represents the second optical device 9.
  • This mirror surface 34 can both by a surface treatment, such.
  • polishing the existing support member 4 or by applying a reflective coating on the support member 4 and by applying an additional reflective element to the support member 4 are created.
  • the peculiarity of the embodiment according to FIG. 5 can be seen, inter alia, in that the base section and / or the web section 26 and / or the optical pickup section can be formed by a profile section which is made of plastic, steel or aluminum, for example as a plastic molded part, extruded component or rolled component can be executed.
  • This mirror property of the second optical device 9 enables the energy converter arrangement 2 to direct a third additional radiation onto the energy converter 6 in addition to the indirect radiation through the first optical device 8 and the direct radiation directly onto the energy converter 6.
  • radiation incident on the mirror surface 34 of the holding element 4 is conducted from a radiation source or a radiation transmitter via the reflection of the mirror surface 34 onto the energy converter 6.
  • FIG. 6 shows a fourth exemplary embodiment of the energy converter arrangements 2, which, viewed in cross-section, are mounted side by side on a substructure 10.
  • the energy converter arrangements 2, consisting of the holding element 4, the energy converter 6 and the first optical device 8, are thereby supported by a base section 32, which receives the first optical device 8 and the energy converter 6 at the back. Due to the rear-side mounting, this construction essentially dispenses with the optical receptacle 22 and the energy converter receptacle 28, resulting in a larger optical surface or energy converter surface, since the edge regions can be omitted for attachment and can be used to generate energy.
  • the base portion 32 of this embodiment is so sturdily built that it carries all the components attached thereto and additionally has a periodically inserted reinforcement 36 which supports the optical device 8 at regular intervals and avoids sagging thereof.
  • a located between the base portion and substructure elastic member 38 can absorb vibrations, vibrations and torsion of the photovoltaic system 1, so that these impairments neither damage to the functional parts, such.
  • a Nach Mountainterrorism the energy conversion arrangements 2 according to the position of the sun can be done both by a drive 20, which transmits the tracking movement to the substructure 10 by means of a push rod, a gear drive or the like, so that the entirety of the Energywandieran extract mounted on cross members 12 to a common Fulcrum D track the position of the sun.
  • a cross member 12 which is designed to be particularly torsionally rigid, can transmit the tracking movement to the energy-transforming arrangements 2 by means of a cable arrangement 40.
  • a cable arrangement 40 For this purpose, 12 shots for the cable assembly 40 are in the cross member.
  • This cable assembly 40 consists of substantially parallel to each other stretched cables that can connect several photovoltaic systems together, the applied cable tension of cross member 12 will pass to cross member 12. If the tension cables are stretched in a polygonal manner according to the Jawerth cable-tie principle, a particularly small deflection of the rope-braced substructure 10 is made possible.
  • the tracking movement of such a cable-tensioned photovoltaic system 1 is also made possible by means of a drive 20 about a pivot point D.
  • FIG. 7 shows a fifth exemplary embodiment of the energy-transforming arrangements 2, which, seen in cross-section, are mounted side by side on a construction consisting of retaining cheeks 42.
  • These holding cheeks 42 receive the optical devices 8 and the energy converters 6 by means of supporting elements 44 on their end faces, so that they rotate in a particularly simple manner about the pivot point D of the probe. let track.
  • holding elements 4 can be attached between the elements.
  • a bolt 46 to the retaining cheeks 42, which rotatably supports the support elements 44 and the first optical devices 8 and energy converters 6 fixed therebetween.
  • This construction allows a relatively flat design of the retaining walls 42, which thus shade a smaller portion of the energy converter 6 in obliquely impinging sun rays, for example in the spring or fall.
  • FIG. 8 shows a variant of the solar system. It has substantially the same structure as the variants described above, with the special feature that it has a plane of symmetry ES.
  • the lying on one side of the plane of symmetry energy converter assemblies 2 are mirror images of the lying on the other side of the plane of symmetry energy converter assemblies 2 and formed.
  • the pivot point D of the system can be set higher and thus closer to the system center of gravity than in the embodiment according to FIGS. 3 to 7, whereby it is possible to reduce the required adjustment forces.
  • FIGS. 9 and 10 Another variant of the system is shown in FIGS. 9 and 10.
  • the optical device 8 is replaced by a device 108, 109, in which two series-connected diffraction elements are provided.
  • this optical device reference is made to the content of the German patent application DE 10 2009 002 508.1 filed with equal priority in the name of the Applicant, the disclosure of which is expressly incorporated into this application.
  • FIG. 9 shows the cross section of a preferred variant of the optical device consisting of the first diffraction element 108, the second diffraction element 109 and connecting elements 110.
  • the first diffraction element 108 is arranged closer to the radiation source in the beam path, so that through the first diffraction element 108 the beam path is directed to the second diffraction element 109.
  • the connecting elements 110 are arranged in such a way between the diffraction elements 108, 109, that this one-piece optical device 100 form.
  • the distances between the diffraction elements 108, 109 are closed by the connecting elements 110. These distances vary when the two diffraction surfaces 108, 109 are mutually spaced at an angle [A].
  • the embodiment of an optical device 100 shown in FIG. 9 discloses diffraction elements 108, 109 whose surfaces are differently pronounced.
  • the one surface has a substantially smooth surface structure, whereas the second surface carries a beam deflection device in the form of prisms.
  • the resulting Fresnel lens allows diffractions that can deflect the beam path 120 in parallel, focus or scatter.
  • the diffraction elements 108, 109 can also carry beam deflection devices on both surfaces or even bend with beam deflection devices differing from one another.
  • a different configuration of the first diffraction element 108 to the second diffraction element 109 is possible, so that, for example, the first diffraction element 108 in contrast to the second diffraction element 109 carries no beam deflecting device.
  • the diffraction elements 108, 109 may not have protective elements which protect the surface structure of the diffraction elements 108, 109 from contamination or environmental influences. It is also possible to equip at least one outer surface of the optical device with a self-cleaning surface structure with a so-called "lotus effect", so that separate protective elements can be dispensed with.
  • a beam 120 which strikes the optical device 100 essentially in parallel is shown in FIG. 9.
  • the energy converter arrangement 2, which is aimed with the aim to direct a maximum of radiation energy to the energy converter 6 is tracked to the sun and thereby tends the optical device 1 in such a way that the beam path 120 hits the energy converter 6 precisely in a predetermined manner.
  • the necessary for this total diffraction is distributed in the embodiment shown here of the optical device 1 to at least two diffractions.
  • the beam path diffracted by the optical device 100 onto the energy converter 6 is dependent on the nature of the diffraction elements 108, 109.
  • a particularly preferred embodiment of the diffraction composition is shown in FIG.
  • the total deflection angle necessary for maximizing the energy of the solar system results from a plurality of successive diffractions.
  • the first optical device consists of a Fresnel lens 108 whose prisms are arranged in the beam path down and a second diffraction element 109 from a Fresnel lens whose prisms in the beam path to the top.
  • the prism-facing surface of the optical devices 108, 109 may have a substantially smooth surface structure, which may also have a self-cleaning microstructure.
  • the beam path generally following the Snellius laws of refraction. If the surface of the first diffraction element 108 is at right angles to the incident beam path, the incident beam generates only minimal reflection due to the surface properties. If the surface of the first diffraction element 108 is slightly angled toward the beam path, the beam path is refracted toward the solder, which slightly increases the loss reflection on the one hand, but reduces the risk of total reflection when encountering another diffraction surface. The deflected beam path 120 strikes the Fresnel lens and is thereby guided away from the solder and in the direction of the energy converter arrangement through the hollow chamber region of the optical device.
  • the beam path 120 again encounters a Fresnel lens, which guides the beam toward the solder through the second diffraction element 109. Upon exiting the second diffraction element 109, the beam path 120 is deflected to the final overall diffraction angle in the direction of the energy converter 6.
  • a holding region 122 is provided, in which the optical device 1 is designed to be particularly stable, so that engaging, not shown, fastening elements can receive and fix the optical device 100.
  • the perspective view of an optical device 100 shown in FIG. 10 shows the essential components consisting of the first bending element 108, the second bending element 109 and the connecting elements 110.
  • the perspective view also shows the linear extension of the components shown previously in cross section. This in the longitudinal direction of a solar system extending components form in their entirety an optical device 100 which is similar to a Hol Eisenprofil created, and thus very stable and torsionally rigid
  • the presented invention is not limited to the use of photovoltaic cells as energy converter 6. Rather, the invention shows ways to impose more solar radiation on various types of energy converters to create more efficient efficiencies.
  • a solar system in the particular embodiment of a photovoltaic system 1 with an energy converter arrangement 2, each with an energy converter 6 and a first optical device 8, wherein with the first optical device 8 direct radiation from a radiation source or a radiation transmitter through the first optical device 8 is passed through the energy converter 6.
  • the energy converter arrangement 2 furthermore has a second optical device 9, which differs from the optical effect of the first optical device 8, wherein direct radiation from a radiation source or a radiation transmitter is directed onto the energy converter through the second optical device 9.

Abstract

Es wird eine Solaranlage in der besonderen Ausgestaltung einer Photovoltaikanlage (1) mit einer Energiewandleranordnung (2) mit jeweils einem Energiewandler (6) und einer ersten optischen Einrichtung (8) offenbart, wobei mit der ersten optischen Einrichtung (8) eine direkte Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter durch die erste optische Einrichtung (8) hindurch auf den Energiewandler (6) geleitet wird. Die Energiewandleranordnung (2) weist darüber hinaus eine zweite optische Einrichtung (9), die sich gegenüber der optischen Wirkung der ersten optischen Einrichtung (8) unterscheidet, auf, wobei durch die zweite optische Einrichtung (9) hindurch direkte Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter auf den Energiewandler geleitet wird.

Description

Solaranlage
Die Erfindung betrifft eine Solaranlage in der Ausgestaltung einer Photovoltaikan- lage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Unter Solartechnik versteht man die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie der Sonne (oder auch Solarenergie) in nutzbare Energieformen. Dabei gliedert sich das Spektrum der Solartechnik in verschiedene Teilgebiete auf, wobei danach unterschieden wird, ob aus der Sonnenstrahlung Wärme oder elektrische Energie gewonnen wird.
Mit Hilfe von Solarkollektoren wird bei einer Solaranlage ein Wärmeträger wie z. B. Wasser durch die Sonnenenergie erwärmt und dem Anwender in Form von Warmwasser bereitgestellt oder einer Energiewandlung zu nutzbarem Strom zugeführt. Im Gegensatz dazu wird bei einer Photovoltaikanlage die Strahlungsenergie der Sonne direkt über die Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt, die dem Nutzer als Solarstrom zur Verfügung steht.
Entscheidend für den wirtschaftlichen Betrieb einer solchen Anlage sind neben dem Standort weitere Faktoren, wie beispielsweise die Größe der sonnenbeaufschlagten Fläche sowie die Qualität der Ausrichtung der beaufschlagten Fläche in Richtung Sonne.
Um die Größe der sonnenbeaufschlagten Fläche effizienter zu gestalten, sind in den letzten Jahren diverse Solaranlagen entwickelt worden, die mehr Sonnenlicht gebündelt auf ein Photovoltaikelement aufbringen. Eine optische Einrichtung, wie beispielsweise eine Strahlung konzentrierende Fresnel-Linse, die wesentlich breiter als das Photovoltaikelement ist, wird dabei vor das Photovoltaikelement gebracht, so dass dieses mit einer höheren Strahlenkonzentration beaufschlagt wird. Dadurch kann diese Solaranlage im Vergleich zu Anlagen, die nur der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt sind aufgrund der besseren Nutzung der Größe der sonnenbeaufschlagten Fläche eine wesentlich größere Menge an Sonnenlicht einfangen, mehr Energie erzeugen und trotz geringerer Größe der Photovoltaikelemente den gleichen Ertrag an Energie liefern wie eine vergleichbare Anlage, bei der die Energiewandleranordnung die Größe der optischen Einheit aufweist.
Eine derartige Solaranlage wird beispielsweise in der DE 20 2007 016 715 U1 gezeigt, in der Fresnel-Linsen die von der Sonne einfallende Strahlung auf eine Brennlinie bündeln. Diese sehr energiereiche Brennlinie ist in der Lage, eine Flüssigkeit, die in einem Rohr verläuft, zu erwärmen bzw. eine Photovoltaikzelle zu beaufschlagen, so dass eine Energiewandlung in nutzbare Energie stattfindet. Dabei erweist sich die Fresnel- Linse als besonders effiziente Möglichkeit, die einfallenden Sonnenstrahlen auf einen gemeinsamen Punkt oder eine gemeinsame Brennlinie zu fokussieren, da jedes einzelne Prisma individuell angepasst werden kann und die Fresnel-Linse im Vergleich zu einer herkömmlichen Linse sowohl Volumen als auch Gewicht einspart, was zu einer vereinfachten Nachführung genutzt werden kann.
Um die Ausrichtung der beaufschlagten Fläche in Richtung Sonne effizienter zu gestalten, sind in den letzten Jahren neben den starr mit dem Untergrund verbundenen Anlagen diverse Solaranlagen entwickelt worden, die sich kontinuierlich an den Sonnenstand anpassen. Der einschlägige Stand der Technik zeigt beispielsweise Kon- zentratorsolarsysteme, welche, um teure Flächenkosten von Solarmodulen zu sparen, das einfallende Sonnenlicht durch eine vorgeschaltete Optik auf eine kleine Fläche konzentrieren. Um stets einen optimalen Wirkungsgrad der Anlage zu gewährleisten, wird die Solaranlage dem Sonnenstand in der Art nachgeführt, dass im Brennpunkt ständig ein bestmöglichster Wirkungsgrad sichergestellt ist.
Zusammengefasst gilt, dass auf das Photovoltaikelement einer nicht fokussieren- den Photovoltaikanlage neben der direkten Strahlung auch zusätzlich diffuse Strahlung trifft. Diese Anlagen müssen nicht nachgeführt werden oder kommen mit geringer Nachführpräzision aus, weshalb die Aufständerungskosten minimiert werden. Um eine vorgegebene Nennleistung der Anlage zu erhalten wird im Vergleich zu fokussierenden Anlagen eine größere Fläche an Photovoltaikelementen benötigt, was einen hohen Aufwand an teueren Solarmodulen bedeutet. Im Vergleich dazu benötigt eine fokussierende Photovoltaikanlage weniger Solarmodulfläche, da mehr Strahlung auf ein kleineres Photovoltaikelement fällt, was die Effizienz der Anlage steigert. Die Nachteile des fokussierenden Systems sind eine eingeschränkte Nutzung von diffuser Strahlung, eine zusätzliche teure Kühlung und ein aufwändiges Nachführsystem mit in der Regel hoher Nachführpräzision.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile zu eliminieren und eine Solaranlage der genannten Art zu stellen, bei der das Photovoltaikelement gegenüber dem Stand der Technik wirtschaftlicher zu betreiben ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Dabei wird eine Energiewandleranordnung bestehend aus einem Energiewandler und einer optischen Einrichtung in der Art zur Erzeugung von nutzbarer Energie mit Strahlung beaufschlagt, dass direkte Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter durch eine erste optische Einrichtung hindurch auf die Energiewandleranordnung gebeugt wird. Durch eine zweite optische Einrichtung, die sich gegenüber der optischen Wirkung der ersten optischen Einrichtung unterscheidet, wird zusätzliche direkte Strahlung der Strahlungsquelle oder des Strah- lungstransmitters auf den Energiewandler gerichtet. Dabei unterscheidet sich die optische Wirkung der zweiten optischen Einrichtung durch die Stärke der Beugung, die den Strahl ablenkt, streut oder fokussiert oder durch die Beschaffenheit der Oberfläche, welche eine Beugung oder eine Reflexion der Strahlung erzeugt von der ersten optischen Einrichtung. Durch den Einsatz der zweiten optischen Einrichtung, die zusätzliche Sonnenstrahlung auf den Energiewandler beugt oder lenkt, erhöht sich die Gesamtbeaufschlagung des Energiewandlers und somit der Gesamtwirkungsgrad der Energiewandleranordnung, was zu einem wirtschaftlichen Betrieb der Photovoltaikanlage führt.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass die zweite optische Einrichtung derart ausgebildet ist und/oder in Bezug auf die Strahlungsquelle bzw. den Strahlungstransmitter derart angeordnet ist, dass die zweite optische Einrichtung neben der Strahlung einer ersten optischen Einrichtung eine direkte Strahlung von der Strahlungsquelle bzw. dem Strahlungstransmitter unmittelbar auf den Energiewandler ermöglicht. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die zweite optische Einrichtung aus einem transparenten Material wie z. B. Glas oder Kunststoff geschaffen ist und sich im direkten Strahlengang über dem Energiewandler befindet, so dass die direkte Sonnenstrahlung durch die zweite optische Einrichtung hindurch zur Energieerzeugung auf den Energiewandler geleitet wird.
Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht vor, eine Mehrzahl von Energiewandleranordnungen nebeneinander in Reihe anzuordnen, so dass die erste optische Einrichtung der Energiewandleranordnung auf einen Energiewandler einer benachbarten Energiewandleranordnung gerichtet ist. Somit verteilen sich alle Strahlen die auf die Oberfläche der Photovoltaikanlage treffen auf die erste optische Einrichtung oder die zweite optische Einrichtung und werden auf einen gemeinsamen Energiewandler gelenkt. Durch diese Anordnung der ersten optischen Einrichtung zum Energiewandler ist ein besonders wirkungsvoller Aufbau der Photovoltaikanlage möglich, da die direkte Strahlung durch die erste optische Einrichtung hindurch auf den Energiewandler gerichtet ist und zusammen mit der Strahlung der zweiten optischen Einrichtung den Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage erhöht.
Ein besonders guter Strahlengang auf den Energiewandler und eine geringe Verschattung der ersten optischen Einrichtung durch die zweite optische Einrichtung ergibt sich, wenn die erste optische Einrichtung im Vergleich zur zweiten optischen Einrichtung näher an einer Strahlungsquelle und somit in einer O°-Stellung der Photovoltaikanlage oberhalb der zweiten optischen Einrichtung angeordnet ist.
Durch eine vorteilhafte Anbringung eines Halteelements außerhalb des Strahlengangs zwischen erster optischer Einrichtung der Energiewandleranordnung und dem beaufschlagten Energiewandler der benachbarten Energiewandleranordnung ist es möglich, den Strahlengang zwischen erster optischer Einrichtung und Energiewandler frei von Halte- bzw. Trageelementen zu gestalten. Die dadurch geringere Verschattung der Energiewandler führt zu einer effizienteren Ausnutzung der vorhandenen Sonnen- Strahlung, da alle Strahlen auf den Energiewandler landen und keine Strahlung an Halteteile verloren geht.
Bei einem bevorzugten Anwendungsbeispiel ist das Halteelement aus einer Optikaufnahme, einer Energiewandleraufnahme und einem Stegabschnitt gebildet. Dabei ist die Optikaufnahme gegenüber der Energiewandleraufnahme auf der gegenüber liegenden Seite des Stegsabschnitts angeordnet, wobei die Energiewandleraufnahme den Energiewandler trägt und die Optikaufnahme die erste optische Einrichtung zum Energiewandler der benachbarten Energiewandleranordnung beabstandet. Eine besonders gute Optikaufnahme und/oder Energiewandleraufnahme wird von einer im Wesentlichen U-förmigen Aufnahme gebildet, welche die erste optische Einrichtung oder den Energiewandler trägt und fixiert. Alternativ kann diese Aufnahme auch durch ein Klemmprofil oder aus weiteren bekannten Elementen der Befestigungstechnik erfolgen.
Ist die Optikaufnahme und/oder die Energiewandleraufnahme so ausgebildet, dass der im Eingriff befindliche Rand der ersten optischen Einrichtung und/oder des Energiewandlers lösbar und formschlüssig am Halteelement angreift, ist eine sichere Montage zu einem späteren Zeitpunkt als die Montage der Aufständerung und Unterkonstruktion möglich. Darüber hinaus ist eine nachträgliche Demontage zur Reinigung, Wartung oder zum Austausch der einzelnen Elemente möglich.
Eine besonders einfache Herstellung der Halteelemente sieht vor, den Querschnitt - bestehend aus den Abschnitten der Optikaufnahme, des Stegabschnitts und der Energiewandleraufnahme - im Wesentlichen S-förmig aufzubauen, wobei sich das Halteelement senkrecht zu seiner Querschnittsfläche in linearer Richtung erstreckt. Dieser Grundaufbau des Haltelements ermöglicht die Verwendung von Rollform- oder Strangpressteilen die besonders günstig und einfach hergestellt werden können.
Weist das Halteelement einen Basisabschnitt zur Befestigung an einer Unterkonstruktion auf, so können die Bauteile der Energiewandleranordnung besonders einfach an der Unterkonstruktion befestigt werden, ohne weitere Befestigungsabschnitte am Halteelement anbringen zu müssen. Befindet sich zwischen Basisabschnitt und Halteelement ein zusätzliches elastisches Element, das Schwingungen, Vibrationen und Tor- sion zwischen Halteelement und Unterkonstruktion aufnehmen kann, ist eine besonders starre Anordnung der Energiewandleranordnung möglich, wodurch der Strahlengang auch bei äußeren Einflüssen wie beispielsweise Wind konstant bleibt und nicht durch auftretende Torsion der Bauteile zueinander eine Toleranz im Strahlenverlauf zu einer schlechteren Beaufschlagung der Energiewandler führt.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die erste optische Einrichtung und der Energiewandler in der Art rückseitig von einem Halteelement aufgenommen und getragen werden, dass keine optischen Verluste aufgrund in den Strahlengang ragender Halteabschnitte zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führen.
Gemäß einer Variante der Photovoltaikanlage erstrecken sich die Energiewandleranordnungen zwischen zwei im Parallelabstand zueinander verlaufenden Haltewangen, die Halteelemente darstellen. Durch eine derartige Befestigung der Energiewandleranordnung können die verschattungsintensiveren Optikaufnahmen und Energiewandleraufnahmen der vorherigen Ausführungsform entfallen, da die Elemente stirnseitig gefasst werden. Vorteilhafterweise sind an den Wangen mehrere Stützelemente angebracht, an denen die erste optische Einrichtung und die Energiewandleranordnung fixiert und bei Bedarf wieder demontiert werden können.
Um einer Durchbiegung der Energiewandleranordnung bei breiteren Anlagen entgegen zu wirken, können bei Variante mit Haltewangen zusätzliche Halteelemente zwischen optischer Einrichtung und Energiewandler angebracht werden um das Eigengewicht der Bauteile abzufangen.
Alternativ zu einer starren Verbindung der ersten optischen Einrichtung und des Energiewandlers zu den Haltewangen ist es möglich, die Vorrichtung bestehend aus erster optischer Einrichtung, Energiewandleranordnung und Stützelement mittels einem Bolzen drehbar in die Haltewangen eingreifen zu lassen.
Ein besonders hoher Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage wird erreicht, wenn die dem Energiewandler zugewandte Oberfläche des Halteelements verspiegelt oder ein zusätzlich aufgebrachtes spiegelndes Element trägt. Die dadurch auf das Halteelement auftreffende direkte Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstrans- mitter wird aufgrund der Reflexion der spiegelnden Oberfläche zusätzlich auf den Energiewandler gelenkt, der dem Halteelement zugeordnet ist. Ein Anstellwinkel des Halteelements zur Senkrechten zwischen 15 und 45°, gemessen in einer O°-Stellung der Energiewandleranordnung, hat sich als besonders günstig in Bezug auf die Anlagenhöhe sowie der Energieeffizienz der Photovoltaikanlage erwiesen. Die Effizienz der Anlage kann weiter gesteigert werden, wenn der Anstellwinkel zwischen 25 und 30° liegt, insbesondere wenn der Anstellwinkel 28° beträgt.
Durch das Anbringen zusätzlicher Abstützungen, die am Halteeiement angreifen und zur Unterkonstruktion führen, wird die Energiewandleranordnung besonders stabil, was der Strahlganggenauigkeit entgegenkommt, und darüber hinaus widerstandsfähiger gegen äußere Einflüsse wie z. B. Windlasten.
Die Effizienz der Photovoltaikanlage kann darüber hinaus gesteigert werden, wenn das Halteelement Wärme abführende Eigenschaften, wie z. B. aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärme abführenden Elementen wie z. B. Kühlrippen zur Vergrößerung der Oberfläche, aufweist. Die entstehende Wärmeenergie aufgrund auftreffender Sonnenstrahlung auf dem Energiewandler kann über diese Maßnahmen an die Umgebung abfließen. Daraus folgt eine temperaturabhängige Steigerung des Wirkungsgrads des Energiewandlers bei Kühlung.
Vorteilhafterweise ist die erste optische Einrichtung der Photovoltaikanlage als optische Strahlablenkungseinrichtung ausgeführt. Die auf die erste optische Einrichtung treffenden Sonnenstrahlen werden somit von der optischen Strahlablenkungseinrichtung auf die zugeordneten Energiewandler gebeugt. Dabei kann die Optik der Strahlablenkungseinrichtung so ausgeführt werden, dass die Strahlen abgelenkt, gestreut oder fokussiert werden. Es hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, die Optik der Strahlablenkungseinrichtung so auszubilden, dass die Fläche bzw. der Flächenstreifen, auf die bzw. auf den eine Fokussierung erfolgt, kleiner ist als die Fläche des zugeordneten Energiewandlers. Um die Strahlablenkungseinrichtung der ersten optischen Einrichtung ausreichend zu schützen, wird diese insbesondere bei Verwendung einer Fresnel-Linsenstruktur mit einer Glasfläche bzw. ähnlichem Stoff oder einer Oberflächenbeschichtung vor Umwelteinflüssen geschützt. Durch die Glasfläche, die oberhalb und/oder unterhalb der Strahlablenkungseinrichtung angebracht ist, wird die Strahlablenkungseinrichtung gegen Schmutz, Verkratzen oder UV-Strahlung geschützt. Vorzugsweise sind die Flächen zueinander abgedichtet, so dass weder zwischen die Glas- noch zwischen die Kunststoff- Glasebene Verunreinigungen eintreten können. Um die Reflektionsverluste an der sonst spiegelnden Oberfläche der Strahlablenkungseinrichtung zu verringern, wird vorteilhaft entspiegeltes Glas und/oder entspiegelter Kunststoff für die erste optische Einrichtung verwendet. Die Strahlablenkungseinrichtung kann vorzugsweise entweder durch ihre Eigen-Mikrostruktur selbstreinigend ausgebildet oder mit einer selbstreinigenden mikrostrukturierten Oberfläche versehen sein.
Ein besonders effizienter Aufbau der Energiewandleranordnung wird erzielt, wenn der Ablenkwinkel, gemessen von einem nahezu senkrechten Strahlengang einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter, auf die optische Einrichtung zwischen 15° und 60°, vorzugsweise zwischen 18 und 60° gebeugt wird. Dieser Beugungswinkel definiert die Position der optischen Einrichtung zum Energiewandler.
Eine weitere Variante der Photovoltaikanlage sieht vor, die erste optische Einrichtung aufzuteilen, so dass mehrere Strahlablenkungseinrichtungen bestehend aus Abschnitten mit unterschiedlichen Beugungswinkeln entstehen. Durch diese Unterteilung und den resultierenden unterschiedlichen Beugungswinkel kann zum einen die Bewegung der Sonne über den Tagesverlauf als auch eine individuelle Strahlablenkung abgestimmt auf einen eigenförmigen Energiewandler angepasst werden. Beispielsweise kann die erste optische Einrichtung und/oder die Halteeinrichtung einen polygonzugarti- gen oder bogenförmigen Querschnitt, vorzugsweise konvex zur Strahlungsquelle hin ausgerichtet, aufweisen.
Durch die Anbringung regelmäßiger Verstärkungen kann die erste optische Einrichtung abgestützt werden. Die dadurch vergrößerte Torsionssteifigkeit ermöglicht eine genauere Strahlführung der ersten optischen Einrichtung auf den Energiewandler, da durch Wind oder Nachführbewegungen, aber auch durch Eigengewicht oder Materialverschleiß, wie z. B, Durchbiegung oder Toleranzen durch Wärmeausdehnung, entstehende Ungenauigkeiten durch die beispielsweise als Stahldraht ausgeführte Verstärkung abgefangen und verhindert werden kann. Die in periodischen Abständen eingesetzte Verstärkung greift vorzugsweise am Halteelement an.
Der am Fuße des Halteelements angebrachte Energiewandler der Energiewandleranordnung zur Umwandlung von Sonnenenergie in nutzbare Energieformen wie vorzugsweise elektrische oder thermische Energie besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Solarzelle, die für zwei- bis 20-fache Konzentrationen, insbesondere zwei- bis 6-fache Konzentrationen, ausgelegt ist. Diese Solarzellen für niedrig fokus- sierende Systeme sind unkompliziert und kostengünstig in der Herstellung gegenüber hoch fokussierenden Solarzellen. Eine hohe Wandlungseffizienz ergibt sich beim Einsatz von Zellen basierend auf kristallinem Silizium oder amorphem Silizium sowie bei der Verwendung von Kupfer Indium oder Cadmiumtellurid-Modulen. Höhere Effizienzen lassen sich zudem beispielsweise mittels einer Tandem- oder Tripple-Zelle erzielen.
Vorteilhafterweise werden die Energiewandleranordnungen einer Photovoltaikan- lage in Reihe nebeneinander und vorzugsweise parallel auf einer Unterkonstruktion montiert. Durch die Anbringung der Energiewandleranordnung auf einer Unterkonstruktion ist sichergestellt, dass keine weiteren zur Photovoltaikanlage gehörenden Teile zwischen Energiewandleranordnung und Strahlungsquelle befindlich sind und somit keinen Schatten auf die Energiewandleranordnung werfen bzw. im Strahlengang zwischen optischer Einrichtung und Energiewandler angeordnet sind.
Eine besonders gute Unterkonstruktion entsteht durch den Einsatz von Querträgern, die nebeneinander, vorzugsweise rechtwinklig zur Erstreckung der Energiewandleranordnung angeordnet sind. Durch den Einsatz dieser Querträger werden die Energiewandleranordnungen zueinander fixiert und stabilisiert. Durch die Verwendung von Hohlprofilen als Querträger kann eine besonders leichte Unterkonstruktion, die wiederum leichter zu montieren und zu handhaben ist, geschaffen werden. Zur Nachführung der Energiewandleranordnung nach dem aktuellen Sonnenstand, der sich im Laufe des Tages verändert, wird die Photovoltaikanlage mittels einer Nachführeinrichtung dem Sonnenstand nachgeführt. Diese Nachführung ermöglicht einen vom Sonnenstand abhängigen maximalen Wirkungsgrad der Energiewandler, die durch die Nachführung stets mit einem Maximum an Sonnenstrahlung beaufschlagt werden. Dazu verfügt die Photovoltaikanlage sowohl über einen Sonnenstandsmesser als auch über einen Antrieb, der die Nachführbewegung auf die Nachführeinrichtung überträgt, wobei die Querträger wippenartig in einem gemeinsamen Drehpunkt, dem Sonnenstand nachgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Photovoltaikanlage werden die auf die Unterkonstruktion befestigten Energiewandleranordnungen über eine Seilanordnung, die aus nebeneinander angeordneten, vorzugsweise im Jawerth-Seilbinderprinzip angeordneten Spannseilen besteht, dem Sonnenstand nachgeführt, wobei die Seile die Nachführbewegung auf die Querträger übertragen.
Eine Weiterbildung der Photovoltaikanlage sieht vor, am unteren Ende des Halteelements in Weiterführung des Energiewandlers ein Windleitelement anzubringen. Durch das Fortführen der Querschnittsfläche mit einem Windleitelement können auf die Photovoltaikanlage wirkende Winde besonders wirksam durch die in Reihe montierten Energiewandleranordnungen geführt werden, was zu einer geringeren Windanfälligkeit der Anlage, längerer Standzeit und geringeren Ausfällen führt.
Eine besonders hohe Ausnutzung der auf die Energiewandleranordnung treffenden Sonnenstrahlen wird erreicht, wenn die optische Einrichtung in einer 0°-Position der Energiewandleranordnung in der Art oberhalb des Energiewandlers angeordnet ist, dass eine Kante der optischen Einrichtung, die der benachbarten Energiewandleranordnung zugewandt ist, im Wesentlichen deckungsgleich mit der Kante des Energiewandlers einer längs benachbarten Energiewandleranordnung ist. Durch diese im Wesentlichen deckungsgleich miteinander angeordneten parallel verlaufenden Kanten der einzelnen Energiewandleranordnungen zueinander ist sichergestellt, dass alle auf die Photovoltaikanlage treffenden Sonnenstrahlen entweder durch die optische Einrichtung, das verspiegelte Halteelement oder direkt auf den Energiewandler treffen, um Energie zu erzeugen.
Nachfolgend sind die erfindungsgemäßen Varianten der Photovoltaikanlage anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Beispiele noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Photovoltaikanlage nach einer ersten Variante;
Fig. 2 eine perspektivische Gesamtansicht einer Photovoltaikanlage mit einer Mehrzahl nebeneinander liegender Energiewandleranordnungen nach einer zweiten Variante;
Fig. 3 einen Querschnitt einer Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der zweiten Variante;
Fig. 4 einen Querschnitt der Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der zweiten Variante;
Fig. 5 einen Querschnitt der Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der zweiten Variante;
Fig. 6 einen Querschnitt der Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der zweiten Variante;
Fig. 7 einen Querschnitt der Photovoltaikanlage mit einer Energiewandleranordnung nach einem fünften Ausführungsbeispiel der zweiten Variante;
Fig. 8 eine Variante der Photovoltaikanlage mit einer Mehrzahl nebeneinander liegender Energiewandleranordnungen; und
Fig. 9 und 10 Darstellungen einer Variante der ersten optischen Einrichtung. Im Folgenden werden zwei Varianten der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage beschrieben. Der allgemein gültige Aufbau der Photovoltaikanlage wird in der ersten und zweiten Variante der Photovoltaikanlage beschrieben. Darüber hinausgehende Merkmale sowie vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den weiteren Ausführungsformen beschrieben, wobei auf weitere Erläuterungen bekannter Merkmale aus bereits beschriebenen Ausführungsformen verzichtet wird.
Der in Fig. 1 dargestellte Querschnitt einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage 1 nach einer ersten Variante zeigt eine Energiewandleranordnung 2 bestehend aus einem Halteelement 4, einem Energiewandler 6 und einer optischen Einrichtung 8, 9 bestehend aus einer ersten optischen Einrichtung 8 und einer zweiten optischen Einrichtung 9. Das Halteelement 4 verbindet die Bauteile der Energiewandleranordnung 2 in der Art, dass die optische Einrichtung über das Halteelement 4 starr mit dem Energiewandler 6 verbunden ist. Durch diesen Aufbau ist ein gemeinsames Schwenken der Bauteile der Energiewandleranordnung 2 um einen gemeinsamen Drehpunkt D möglich.
Diese Drehbewegung ermöglicht es der Photovoltaikanlage 1 die Energiewandleranordnung 2 tageszeitabhängig in der Art einachsig dem Sonnenstand nachzuführen, so dass der Energiewandler 6 stets mit einem Maximum an Sonnenstrahlen beaufschlagt wird. Dazu werden die im Wesentlichen parallel auf die Oberfläche der ersten optischen Einrichtung 8 treffenden Sonnenstrahlen auf den Energiewandler 6 gebeugt, in dem die Sonnenstrahlen am prismenförmigen Aufbau, beispielsweise einer Fresnel- Linse, der ersten optischen Einrichtung 8 in der Art abgelenkt, gestreut oder fokussiert werden, dass die Oberfläche des Energiewandlers 6 optimal mit einem Maximum Sonnenstrahlen beaufschlagt wird, um eine maximale Erzeugung von Energie zu ermöglichen.
Neben der ersten optischen Einrichtung 8 ist die Energiewandleranordnung 2 mit einer zusätzlichen zweiten optischen Einrichtung 9 ausgestattet, welche sich im direkten Strahlengang oberhalb des Energiewandlers in einer O°-Stellung der Photovoltaikanlage befindet. Durch diesen Aufbau ist eine Beaufschlagung des Energiewandlers 6 mit direktem, im Wesentlichen unmittelbar auf den Energiewandler 6 treffende Sonnenstrah- lung möglich, die zusätzlich zu der direkt auf die erste optische Einrichtung 8 treffende Sonnenstrahlung die Gesamtbeaufschlagung des Energiewandlers 6 und somit den Gesamtwirkungsgrad der Photovoltaikanlage erhöht, was zu einem wirtschaftlichen Betrieb der Photovoltaikanlage führt.
Ein besonders wirtschaftlicher Aufbau der Photovoltaikanlage 1 ist in Fig. 1 gezeigt. Dabei ist links und rechts neben der zweiten optischen Einrichtung 9 jeweils eine erste optische Einrichtung angeordnet, wobei die ersten optischen Einrichtungen 8 in Längsrichtung der sich erstreckenden Photovoltaikanlagen 1 so auf der zweiten optischen Einrichtung 9 positioniert werden, dass, in O°-Steliung der Photovoltaikanlage gesehen, der Strahlengang über dem Energiewandler 6 nicht von der ersten optischen Einrichtung 8 beeinflusst wird. Dabei wird ein besonders stabiler Aufbau der Photovoltaikanlage ermöglicht, wenn die zweite optische Einrichtung 9, vorzugsweise aus einer durchgehenden Glasplatte bestehend, die als vorzugsweise Fresnel-Linsen ausgeführten ersten optischen Einrichtungen 8 trägt und stabilisiert.
Somit ergibt sich ein Strahlenverlauf, der ausgehend von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter, wie beispielsweise der Sonne, im Wesentlichen parallele Strahlen in Richtung Erdoberfläche sendet, welche auf die Photovoltaikanlage 1 treffend zu einer Beaufschlagung des Energiewandlers 6 führen. Dabei wird auf die erste optische Einrichtung 8 treffende Strahlung (in Fig. 1 als durchgezogene Linie dargestellt) durch Beugung auf die Energiewandleranordnung 6 gelenkt. Strahlung, die auf die zweite optische Einrichtung 9 trifft, (in Fig. 1 als gestrichelte Linie dargestellt) wird von dieser im Wesentlichen beugungsfrei durch die zweite optische Einrichtung 9 hindurch auf den Energiewandler 6 geleitet. Zur Vermeidung von Reflexion an der Oberfläche der optischen Einrichtungen 8, 9 wird vorzugsweise entspiegeltes Material verwendet und zusätzlich versucht, einen senkrechten Strahlengang auf die optischen Einrichtungen 8, 9 zu ermöglichen.
Die in Fig. 2 dargestellte Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage 1 nach einer zweiten Variante zeigt eine Mehrzahl nebeneinander liegender Energiewandleranordnungen 2, die sich aus den wesentlichen Bauteilen eines Halteelements 4, eines Energiewandlers 6 und einer optischen Einrichtung 8 zusammen- setzt. Die parallel nebeneinander in Reihe montierten Energiewandleranordnungen 2 sind auf einer Unterkonstruktion 10 aus einem Gitter von Querträgern 12 montiert. Die Unterkonstruktion 10 bildet zusammen mit dem Gestell 14 die Aufständerung, wobei die montierten Energiewandleranordnungen auf der Unterkonstruktion 10 mittels einer Nachführung 16 dem Sonnenstand nachführt werden. Zur Befestigung kann die Photo- voltaikanlage auf einem Fundament 18 fixiert werden.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Energiewandleranordnungen 2, die im Querschnitt gesehen nebeneinander auf eine Unterkonstruktion 10, bestehend aus Querträgern 12, montiert sind. Die Energiewandleranordnungen 2, bestehend aus dem Halteelement 4, dem Energiewandler 6 und der optischen Einrichtung 8, werden dabei vom Halteelement 4 in der Art angeordnet, dass die optische Einrichtung 8 zum einen zur gegenüberliegenden Seite des Halteelements und somit dem Energiewandler abgewandt ist, und zum anderen vom Energiewandler in der Art beabstandet ist, dass die optische Einrichtung 8 vertikal näher der Sonne zugewandt ist, im Vergleich zum Energiewandler 6 der gleichen Energiewandleranordnung 2, durch diesen asymmetrischen Aufbau der Energiewandleranordnung 2, der die erste optische Einrichtung 8 auf der gegenüberliegenden Seite des Halteelements 4 in Bezug auf den Energiewandler 6 trägt, wird folgender Strahlengang ermöglicht.
Direkte Strahlung, die von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmit- ter, beispielsweise der Sonne, aus im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Einzelstrahlen die auf die erste optische Einrichtung 8 treffen, werden von der ersten optischen Einrichtung 8 derart gebeugt, dass die Strahlen auf den Energiewandler 6 einer benachbarten Energiewandleranordnung 2 treffen. Zu diesem Zweck besteht die erste optische Einrichtung 8 aus einer optischen Strahlablenkungseinrichtung. Diese aus Prismen bestehende Fresnel-Linsenstruktur ermöglicht eine Ablenkung, Streuung oder Fokussierung der Strahlen auf den Energiewandler 6.
Der Energiewandler 6 der Energiewandleranordnung 2 besteht aus einem Photo- voltaikelement zur Erzeugung elektrischer Energie. Alternativ dazu kann der Energiewandler 6 auch aus einem Wandler bestehen, der die aufgebrachte Energie in eine weitere Energieform wie z. B. Warmwasser überführt. Das Halteelement 4 erfüllt eine Vielzahl von Funktionen. An einem oberen Ende des Halteelements 4 ist eine Optikaufnahme 22 angebracht, welche die erste optische Einrichtung 8 an ihrem Randbereich aufnimmt. In diesem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel besteht die Optikaufnahme 22 aus dem Halteelement 4, das in gekröpfter Art und Weise fortgeführt ist. Zur Fixierung der ersten optischen Einrichtung 8 wird ein zusätzliches Klemmelement 24 in der Art an der Energiewandleranordnung 2 befestigt, dass die erste optische Einrichtung 8 zwischen gekröpftem Ende des Halteelements 4 und dem Klemmelement 24 eingeklemmt ist. Im die Verschattung gering zu halten, wird die Optikaufnahme 22 möglichst klein ausgeführt.
An der Optikaufnahme 22 schließt sich ein Stegabschnitt 26 des Halteelements 4 an. Dieser Stegabschnitt 26 beabstandet die Optikaufnahme 22 und die daran befestigte erste optische Einrichtung 8 zum Energiewandler 6 und zur Unterkonstruktion 10. Die Länge des Stegabschnitts 26 ist angepasst auf die Gesamtgröße der Energiewandleranordnung 2 und dem Beugungswinkel B der ersten optischen Einrichtung 8. Im weiteren Verlauf des Halteelements 4 schließt sich am Stegabschnitt 26 eine Energiewandleraufnahme 28 an. Die Energiewandleraufnahme 28 fixiert zum einen den Energiewandler 6 in der Energiewandleranordnung 2, bildet in diesem Ausführungsbeispiel die Verbindung zur Unterkonstruktion 10 und ermöglicht darüber hinaus einen Wärmeabtransport des Energiewandlers 6. Diese abgeführte Wärme entsteht durch die Beaufschlagung des Energiewandlers 6 mit Sonnenenergie. Im Allgemeinen wird ein höherer Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage 1 erzeugt, wenn der Energiewandler 6 eine in sich homogene und möglichst geringe Temperaturdifferenz zur Umgebung aufweist. Um die Wärme des Energiewandlers 6 bestmöglich an die Umgebung abfließen zu lassen, besteht die Energiewandleraufnahme 28 aus einem besonders wärmeleitfähigen Material und liegt - wie in Fig. 3 zu sehen - möglichst großflächig an dem Energiewandler 6 an. Die Energiewandleraufnahme 28 verfügt über seitliche Klemmbereiche, die zur Aufnahme und Fixierung des Energiewandlers 6 dienen.
Die Optikaufnahme 22 und die Energiewandleraufnahme 28 sind so konzipiert, dass eine Montage der ersten optischen Einrichtung 8 und des Energiewandlers 6 vor Ort möglich ist, nachdem das Halteelement 4 auf die Unterkonstruktion montiert wurde, um somit Beschädigungen an den sensiblen Teilen bei der Montage der Aufständerung zu vermeiden.
In diesem Ausführungsbeispiel schließt sich an die Energiewandleraufnahme 28 des Halteelements 4 ein Windleitelement 30 an. Dieses Windleitelement 30, bestehend aus einem fortgeführten Blechabschnitt, führt die Kontur des im Wesentlichen Z- förmigen Querschnitts der Energiewandleranordnung 2 fort, um auf die Anlage wirkenden Wind widerstandsärmer durch die Lücken zwischen den einzelnen Energiewandleranordnungen 2 zu führen. Dadurch erhält die Photovoltaikanlage 1 eine geringere Windanfälligkeit, die weiter verringert werden kann, indem die Anlage gesteuert durch eine Winderfassung in einem optimalen Winkel zur Windrichtung geschwenkt wird. Diese Funktion der Photovoltaikanlage 1 führt zu einer längeren Betriebsdauer und somit zu einer höheren Effizienz der Photovoltaikanlage 1 , da die Anlage länger in ihrem optimalen Betriebszustand Energie erzeugen kann, ohne aus dem Wind genommen zu werden, um Defekte zu vermeiden.
Die nebeneinander auf einem Querträger 12 montierten Energiewandleranordnungen 2 werden mittels einer Nachführeinrichtung 16 um einen gemeinsamen Drehpunkt D geschwenkt, um sonnenstandsabhängig einen höchstmöglichen Wirkungsgrad der Energiewandleranordnung 2 zu erzeugen.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Energiewandleranordnungen 2, die im Querschnitt gesehen nebeneinander auf einer Unterkonstruktion montiert sind. Die Energiewandleranordnungen 2, bestehend aus dem Halteelement 4, dem Energiewandler 6 und der ersten optischen Einrichtung 8, weist einen zusätzlichen Basisabschnitt 32 auf, der die Verlängerung des Stegabschnitts 26 darstellt. Über diesen Basisabschnitt 32 ist eine variablere Anbindung der Energiewandleranordnung 2 an die Unterkonstruktion 10 möglich. Durch diese Veränderung ist es auch möglich, die Energiewandleraufnahme 28 kürzer und somit Material sparender zu gestalten. In dieser Ausführungsform wird sowohl die Optikaufnahme 22 als auch die Energiewandleraufnahme 28 als U-förmige Aufnahme gebildet. Dabei entspricht die lichte Breite der U-förmigen Schenkel im Wesentlichen der Stärke der optischen Einrichtung bzw. des Energiewandlers 6. Zur ausreichenden Abstützung des Energiewandlers 6 ist der untere Schenkel der Energiewandleraufnahme länger ausgebildet, um eine ausreichende Abstützung zu schaffen.
Wie in Fig. 4 zu sehen ist, gelangt neben der Strahlung, die mittels der optischen Einrichtung auf den benachbarten Energiewandler 6 gebeugt wird, eine zusätzliche Strahlung unmittelbar von der Strahlungsquelle oder dem Strahlungstransmitter auf den Energiewandler 6. Somit erhöht sich die Konzentration der auf den Energiewandler 6 treffenden Strahlen um die Menge der Strahlung, die zusätzlich direkt auf den Energiewandler 6 trifft. Somit setzt sich die Gesamtbeaufschlagung des Energiewandlers aus indirekter Strahlung und direkter Strahlung zusammen.
Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Energiewandleranordnungen 2, die im Querschnitt gesehen nebeneinander auf einer Unterkonstruktion 10 montiert sind. Die Energiewandleranordnungen 2, bestehend aus einem Halteelement 4, dem Energiewandler 6 und der ersten optischen Einrichtung 8, werden mittels dem Basisabschnitt 32 auf der Unterkonstruktion 10 montiert. In diesem Ausführungsbeispiel trägt der Basisabschnitt 32 sowohl den Energiewandler 6, der mittels Glasflächen verstärkt ist, als auch den Stegabschnitt 26 der in diesem Ausführungsbeispiel um 22° aus der Senkrechten geneigt ist und an dessen Ende sich die Optikaufnahme 22 befindet, welche, um eine besonders einfache Herstellung und Befestigung der ersten optischen Einrichtung 8 zu ermöglichen, aus periodisch versetzten Abkantungen besteht. Wohingegen in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen die Flächen der ersten optischen Einrichtung 8 zu dem Energiewandler 6 im Wesentlichen parallel angeordnet war, ist die erste optische Einrichtung 8 im dritten Ausführungsbeispiel unter einem Winkel angeordnet, der die im Wesentlichen senkrecht zur Erde treffenden Strahlen auf eine größere optische Einrichtung verteilt und diese dadurch präziser auf den Energiewandler 6 beugen kann. Zusätzlich ermöglicht der schräg auf die erste optische Einrichtung 8 treffende Strahl eine Vermeidung der Totalreflektion, da der Einfallswinkel auf die Prismenkörper erhöht wird.
In diesem Ausführungsbeispiel bestehen sowohl der Basisabschnitt 32 als auch der Stegabschnitt 26 aus einem Aluminiumstrangpressprofil. Dabei ist ein dem Energiewandler 6 zugewandter Abschnitt des Halteelements 4 mit einer Spiegeloberfläche 34 versehen, welche die zweite optische Einrichtung 9 darstellt. Diese Spiegeloberfläche 34 kann sowohl durch eine Oberflächenbehandlung, wie z. B. Polieren, des vorhandenen Halteelements 4 oder durch Aufbringen einer spiegelnden Beschichtung auf das Halteelement 4 sowie durch das Aufbringen eines zusätzlich spiegelnden Elements auf das Halteelement 4 geschaffen werden. Die Besonderheit der Ausgestaltung gemäß Figur 5 ist u.a. darin zu sehen, dass der Basisabschnitt und/oder der Stegabschnitt 26 und/oder der Optikaufnahmeabschnitt von einem Profilabschnitt gebildet sein kann, der in Kunststoff, Stahl oder Aluminium beispielsweise als Kunststoff-Spritzteil, extrudiertes Bauteil oder gewalztes Bauteil ausgeführt sein kann.
Diese Spiegeleigenschaft der zweiten optischen Einrichtung 9 ermöglicht es der Energiewandleranordnung 2 zusätzlich zu der indirekten Strahlung durch die erste optische Einrichtung 8 hindurch und der direkten Strahlung unmittelbar auf den Energiewandler 6 eine dritte zusätzliche Strahlung auf den Energiewandler 6 zu lenken. Dabei wird auf die Spiegeloberfläche 34 des Halteelements 4 treffende Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter über die Reflexion der Spiegeloberfläche 34 auf den Energiewandler 6 geleitet. Durch diese dritte Strahlung auf den Energiewandler 6 erhöht sich die Gesamtbeaufschlagung des Energiewandlers 6 und somit der Gesamtwirkungsgrad der Photovoltaikanlage 1.
Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Energiewandleranordnungen 2, die im Querschnitt gesehen nebeneinander auf einer Unterkonstruktion 10 montiert sind. Die Energiewandleranordnungen 2, bestehend aus dem Halteelement 4, dem Energiewandler 6 und der ersten optischen Einrichtung 8, werden dabei von einem Basisabschnitt 32 getragen, der die erste optische Einrichtung 8 sowie den Energiewandler 6 rückseitig aufnimmt. Diese Konstruktion verzichtet durch die rückseitige Aufnahme im Wesentlichen auf die Optikaufnahme 22 und die Energiewandleraufnahme 28, wodurch eine größere Optikfläche bzw. Energiewandlerfläche entsteht, da die Randbereiche zur Befestigung wegfallen und der Energieerzeugung dienen können. Der Basisabschnitt 32 dieses Ausführungsbeispiels ist so stabil gebaut, dass er alle daran befestigten Bauteile tragen und zusätzlich über eine periodisch eingesetzte Verstärkung 36 verfügt, die in regelmäßigen Abständen die optische Einrichtung 8 abstützt und ein Durchhängen dieser vermeidet. Ein zwischen Basisabschnitt und Unterkonstruktion befindliches elastisches Element 38 kann Schwingungen, Vibrationen sowie Torsion der Photovoltaikanlage 1 aufnehmen, so dass diese Beeinträchtigungen weder einen Schaden an den Funktionsteilen, wie z. B. der ersten optischen Einrichtung 8 oder dem Energiewandler 6, nehmen können als auch zu keiner Verringerung der Effizienz der Anlage aufgrund Nachführun- genauigkeit der sich aufgrund Torsion ergebenden Ungenauigkeit der ersten optischen Einrichtung 8 ergebenden Strahlablenkung,
Eine Nachführbewegung der Energiewandieranordnungen 2 entsprechend dem Sonnenstand kann sowohl über einen Antrieb 20 geschehen, der mittels einer Schubstange, einem Zahnradantrieb oder ähnlichem die Nachführbewegung auf die Unterkonstruktion 10 überträgt, so dass die Gesamtheit der Energiewandieranordnungen, die auf Querträgern 12 montiert sind, um einen gemeinsamen Drehpunkt D dem Sonnenstand nachgeführt werden.
Alternativ zu dieser Art der Nachführung kann ein besonders verwindungssteif ausgeführter Querträger 12 mittels einer Seilanordnung 40 die Nachführbewegung an die Energiewandieranordnungen 2 weitergeben. Dazu befinden sich im Querträger 12 Aufnahmen für die Seilanordnung 40. Diese Seilanordnung 40 besteht aus im Wesentlichen parallel zueinander gespannten Seilen, die mehrere Photovoltaikanlagen miteinander verbinden können, wobei die aufgebrachte Seilspannkraft von Querträger 12 zu Querträger 12 weitergeben wird. Werden die Spannseile polygonzugartig nach dem Jawerth-Seilbinderprinzip gespannt, so wird eine besonders geringe Durchbiegung der seilverspannten Unterkonstruktion 10 ermöglicht. Die Nachführbewegung einer solch seilverspannten Photovoltaikanlage 1 wird ebenfalls mittels eines Antriebs 20 um einen Drehpunkt D ermöglicht.
Fig. 7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiei der Energiewandieranordnungen 2, die im Querschnitt gesehen nebeneinander an einer Konstruktion bestehend aus Haltewangen 42 montiert sind. Diese Haltewangen 42 nehmen die optischen Einrichtungen 8 sowie die Energiewandler 6 mittels Stützelementen 44 an ihren Stirnseiten auf, so dass sich diese in besonders einfacher Art rotatorisch um den Drehpunkt D dem Son- nenstand nachführen lassen. Um eine etwaige Durchbiegung der ersten optischen Einrichtung 8 oder des Energiewandlers 6 zu verhindern, können zwischen den Elementen Halteelemente 4 angebracht werden. Alternativ zur starren Befestigung der Stützelemente an den Haltewangen ist es möglich, einen Bolzen 46 an den Haltewangen 42 anzubringen, der die Stützelemente 44 und die dazwischen fixierten ersten optischen Einrichtungen 8 und Energiewandler 6 drehbar lagert. Diese Konstruktion ermöglicht eine relativ flache Ausführung der Haltewangen 42, die somit bei schräg auftreffenden Sonnenstrahlen, beispielweise im Frühjahr oder Herbst, einen geringeren Teil der Energiewandler 6 abschatten.
In Figur 8 ist eine Variante der Solaranlage gezeigt. Sie hat im Wesentlichen denselben Aufbau wie die zuvor beschriebenen Varianten, mit der Besonderheit, dass sie eine Symmetrieebene ES aufweist. Die auf der einen Seite der Symmetrieebene liegenden Energiewandleranordnungen 2 sind spiegelbildlich zu den auf der anderen Seite der Symmetrieebene liegenden Energiewandleranordnungen 2 angordnet und ausgebildet. Dadurch kann der Drehpunkt D der Anlage höher und damit näher an den Systemschwerpunkt heran gelegt werden als bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 bis 7, wodurch es gelingt, die erforderlichen Verstellkräfte zu verringern.
Eine weitere Variante der Anlage ist in den Figuren 9 und 10 gezeigt. Hier wird die optische Einrichtung 8 durch eine Einrichtung 108, 109 ersetzt, bei der zwei in Reihe geschaltete Beugungselemente vorgesehen sind. Bezüglich der Einzelheiten und Vorteile dieser optischen Einrichtung wird auf den Inhalt der mit gleichem Zeitrang im Namen der Anmelder hinterlegten Deutschen Patentanmeldung DE 10 2009 002 508.1 verwiesen, deren Offenbarung ausdrücklich in diese Anmeldung einbezogen wird.
Fig. 9 zeigt den Querschnitt einer bevorzugten Variante der optischen Einrichtung, bestehend aus dem ersten Beugungselement 108, dem zweiten Beugungselement 109 und Verbindungselementen 110. Dabei ist das erste Beugungselement 108 im Strahlenverlauf näher an der Strahlungsquelle angeordnet, so dass durch das erste Beugungselement 108 hindurch der Strahlenverlauf auf das zweite Beugungselement 109 gerichtet ist. Die Verbindungselemente 110 sind dabei in der Art zwischen den Beugungselementen 108, 109 angeordnet, dass diese eine einstückige optische Einrichtung 100 bilden. Dazu werden die Abstände zwischen den Beugungselementen 108, 109 durch die Verbindungselemente 110 geschlossen. Diese Abstände variieren, wenn die beiden Beugungsflächen 108, 109 zueinander in einem Winkel [A] zueinander beabstandet sind.
Das in Fig. 9 gezeigte Ausführungsbeispiel einer optischen Einrichtung 100 offenbart Beugungselemente 108, 109, deren Oberflächen unterschiedlich ausgeprägt sind. Dabei weist die eine Oberfläche eine im Wesentlichen glatte Oberflächenstruktur auf, wohingegen die zweite Oberfläche eine Strahlablenkungseinrichtung in Form von Prismen trägt. Die so entstehende Fresnel-Linse ermöglicht Beugungen, die den Strahlengang 120 parallel umlenken, fokussieren oder streuen können.
Alternativ zu der hier gezeigten Ausführungsform der Beugungselemente 108, 109 können diese auch an beiden Oberflächen Strahlablenkungseinrichtungen tragen oder auch mit sich voneinander unterscheidenden Strahlablenkungseinrichtungen beugen. Darüber hinaus ist eine unterschiedliche Ausgestaltung des ersten Beugungselements 108 zum zweiten Beugungselement 109 möglich, so dass beispielsweise das erste Beugungselement 108 im Gegensatz zum zweiten Beugungselement 109 keine Strahlablenkeinrichtung trägt. Zum Schutz der Oberflächen der optischen Einrichtung können die Beugungselemente 108, 109 nicht gezeichnete Schutzelemente, welche die Oberflächenstruktur der Beugungselemente 108, 109 vor Verunreinigungen oder Umwelteinflüssen schützen, aufweisen. Es ist auch möglich, zumindest eine Außenfläche der optischen Einrichtung mit einer selbstreinigenden Oberflächenstruktur mit sogenanntem „Lotus-Effekt" auszustatten, so dass separate Schutzelemente entfallen können.
Ein auf die optische Einrichtung 100 im Wesentlich parallel treffendes Strahlbündel 120 ist in der Fig. 9 dargestellt. Die Energiewandleranordnung 2, welche mit dem Ziel ein Maximum an Strahlenenergie auf die Energiewandler 6 zu richten wird dem Sonnenstand nachgeführt ist und neigt dabei die optische Einrichtung 1 in der Art, dass der Strahlengang 120 präzise in einer vorbestimmten Art auf den Energiewandler 6 trifft. Die dazu notwendige Gesamtbeugung wird in der hier gezeigten Ausführungsform von der optischen Einrichtung 1 auf zumindest zwei Beugungen verteilt. Der von der optischen Einrichtung 100 auf den Energiewandier 6 gebeugte Strahlenverlauf ist abhängig von der Beschaffenheit der Beugungselemente 108, 109. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Beugungszusammensetzung ist in Fig. 9 dargestellt. Der zur Energiemaximierung der Solaranlage notwendige Gesamtbeu- gungswinkel ergibt sich aus mehreren hintereinander erfolgenden Beugungen. Diese können aus unterschiedlichen Beugungsarten und/oder unterschiedlichen Optiken entstehen. Dabei besteht die erste optische Einrichtung aus einer Fresnel-Linse 108 deren Prismen im Strahlenverlauf nach Unten angeordnet sind und einen zweiten Beugungselement 109 aus einer Fresnel-Linse deren Prismen im Strahlenverlauf nach Oben zeigen. Die den Prismen abgewandte Oberfläche der optischen Einrichtungen 108, 109 können eine im Wesentlichen glatte Oberflächenstruktur aufweisen, die auch eine selbstreinigene Mikrostruktur haben können.
Daraus ergibt sich folgender Strahlengang, wobei der Strahlengang im Allgemeinen den snelliusschen Brechungsgesetzen folgt. Steht die Oberfläche des ersten Beugungselements 108 rechtwinklig zum einfallenden Strahlengang, so erzeugt der einfallende Strahl nur minimale Reflexion aufgrund der Oberflächeneigenschaften. Ist die Oberfläche des ersten Beugungselements 108 leicht zum Strahlengang angewinkelt, so wird der Strahlengang zum Lot hin gebrochen, was die Verlustreflexion zum einen leicht erhöht, jedoch die Gefahr einer Totalreflexion beim Auftreffen auf eine weitere Beugungsfläche verringert. Der abgelenkte Strahlengang 120 trifft dabei auf die Fresnel- Linse und wird dabei vom Lot weg und in Richtung Energiewandleranordnung durch den Hohlkammerbereich der optischen Einrichtung geleitet. Von diesem besonders geschützten Bereich aus trifft der Strahlengang 120 erneut auf eine Fresnel-Linse, welche den Strahl zum Lot hin durch das zweite Beugungselement 109 hin leitet. Beim Austritt aus dem zweiten Beugungselement 109 wird der Strahlengang 120 auf den endgültigen Gesamtbeugungswinkel in Richtung Energiewandler 6 hin umgelenkt.
Zur Befestigung der optischen Einrichtung 100 an eine Energiewandleranordnung 2 ist ein Haltebereich 122 vorgesehen, in dem die optische Einrichtung 1 besonders stabil ausgeführt ist, so dass angreifende, nicht dargestellte, Befestigungselemente die optische Einrichtung 100 aufnehmen und fixieren können. Die in Fig. 10 dargestellte perspektivische Ansicht einer optischen Einrichtung 100 zeigt die wesentlichen Bauteile bestehend aus dem ersten Beugeelement 108, dem zweiten Beugeelement 109, sowie den Verbindungselementen 110. Aus der perspektivischen Ansicht ist zudem die lineare Erstreckung der zuvor im Querschnitt gezeigten Bauteile ersichtlich. Diese sich in Längsrichtung einer Solaranlage erstreckenden Bauteile bilden in ihrer Gesamtheit eine optische Einrichtung 100 die ähnlich einem Holkörperprofil geschaffen ist, und dadurch sehr stabil und torsionssteif wird
Die vorgestellte Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Photovoltaikzellen als Energiewandler 6 beschränkt. Vielmehr zeigt die Erfindung Möglichkeiten, um verschiedenste Arten von Energiewandlern mit mehr Sonnenstrahlen zu beaufschlagen, um effizientere Wirkungsgrade zu schaffen.
Anstelle der einachsigen Azimut-Nachführung ist es selbstverständlich auch möglich, zusätzlich eine Elevations-Nachführung oder -Einstellbarkeit vorzusehen.
Es wird eine Solaranlage in der besonderen Ausgestaltung einer Photovoltaikan- lage 1 mit einer Energiewandleranordnung 2 mit jeweils einem Energiewandler 6 und einer ersten optischen Einrichtung 8 offenbart, wobei mit der ersten optischen Einrichtung 8 eine direkte Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstrans- mitter durch die erste optische Einrichtung 8 hindurch auf den Energiewandler 6 geleitet wird. Die Energiewandleranordnung 2 weist darüber hinaus eine zweite optische Einrichtung 9 die sich gegenüber der optischen Wirkung der ersten optischen Einrichtung 8 unterscheidet, auf, wobei durch die zweite optische Einrichtung 9 hindurch direkte Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter auf den Energiewandler geleitet wird. Bezugszeichenliste:
1 Photovoltaikanlage
2 Energiewandleranordnung
4 Halteelement
6 Energiewandler
8 erste optische Einrichtung
9 zweite optische Einrichtung
10 Unterkonstruktion
12 Querträger
14 Gestell
16 Nachführeinrichtung
18 Fundament
20 Antrieb
22 Optikaufnahme
24 Klemmelement
26 Stegabschnitt
28 Energiewandleraufnahme
30 Windleitelement
32 Basisabschnitt
34 Spiegeloberfläche
36 Verstärkung
38 elastisches Element
40 Seilanordnung
42 Haltewangen
44 Stützelemente
46 Bolzen
D Drehpunkt
B Beugungswinkel

Claims

Ansprüche
1. Solaranlage, insbesondere eine Photovoltaikanlage (1), die eine Energiewandleranordnung (2) mit jeweils einem Energiewandler (6) und einer optischen Einrichtung (8, 9) aufweist, wobei eine direkte Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter durch die erste optische Einrichtung (8) hindurch auf den Energiewandler (6) geleitet wird, gekennzeichnet durch eine zweite optische Einrichtung (9) die sich gegenüber der optischen Wirkung der ersten optischen Einrichtung (8) unterscheidet, wobei direkte Strahlung von einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitter auf den Energiewandler (6) richtbar ist.
2. Photovoltaikanlage nach Anspruch 1 , wobei die zweite optische Einrichtung (9) derart ausgebildet ist und/oder in Bezug auf die Strahlungsquelle bzw. des Strah- lungstransmitters und der Energiewandleranordnung (2) derart angeordnet ist, dass diese darüber hinaus eine direkte Strahlung von der Strahlungsquelle bzw. dem Strahlungstransmitter auf den Energiewandler (6) erlaubt.
3. Photovoltaikanlage nach Anspruch 1 , mit einer Mehrzahl an Energiewandleranordnungen (2) die nebeneinander angeordnet sind, wobei die erste optische Einrichtung (8) der Energiewandleranordnung (2) auf einen Energiewandler (6) einer benachbarten Energiewandleranordnung (2) gerichtet ist.
4. Photovoltaikanlage nach Anspruch 3, wobei die erste optische Einrichtung (8) im Vergleich zur zweiten optischen Einrichtung (9) näher an der Strahlungsquelle angeordnet ist.
5. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Halteelement (4) außerhalb des Strahlengangs zwischen erster optischer Einrichtung (8) der Energiewandleranordnung (2) und dem beaufschlagten Energiewandler (6) einer benachbarten Energiewandleranordnung (2) angeordnet ist.
6. Photovoltaikanlage nach Anspruch 5, wobei das Halteelement (4) jeweils eine Optikaufnahme (22), eine Energiewandleraufnahme (28) und einen Stegabschnitt (26) aufweist, wobei die Optikaufnahme (22) und die Energiewandleraufnahme (28) auf verschiedenen Seiten des Stegabschnitts (26) liegen.
7. Photovoltaikanlage nach Anspruch 6, wobei die Optikaufnahme (22) und/oder die Energiewandleraufnahme (28) so ausgebildet sind, dass der betreffende Rand der ersten optischen Einrichtung (8) und/oder des Energiewandlers (6) lösbar und formschlüssig eingefasst ist.
8. Photovoltaikanlage nach Anspruch 7, wobei das Halteelement (4) im Wesentlichen einen S-förmigen Querschnitt aufweist.
9. Photovoltaikanlage nach Anspruch 8, wobei sich das Halteelement (4) senkrecht und linear zu seiner Querschnittsfläche erstreckt.
10. Photovoltaikanlage nach Anspruch 9, wobei das Halteelement (4) einen Basisabschnitt (32) zur Befestigung an einer Unterkonstruktion aufweist.
11. Photovoltaikanlage nach Anspruch 10, wobei der Basisabschnitt (32) des Halteelements ein elastisches Element (38) aufweist.
12. Photovoltaikanlage nach Anspruch 11 , wobei das Halteelement (4) die zweite optische Einrichtung (9) und den Energiewandler (6) rückseitig aufnimmt.
13. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich die Energiewandleranordnungen (2) zwischen zwei sich im Parallelabstand zueinander verlaufende, Halteelemente bildende Haltewangen (42) erstreckt und dort stirnseitig über ein Stützelement (44) vorzugsweise lösbar fixiert sind.
14. Photovoltaikanlage nach Anspruch 13, wobei ein zusätzliches Halteelement (4) zwischen erster optischer Einrichtung (8) und Energiewandler (6) angeordnet ist.
15. Photovoltaikanlage nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Stützelement (44) jeweils mit der Haltewange (42) fest verbunden ist.
16. Photovoltaikanlage nach Anspruch 14, wobei die beiden den Energiewandleranordnungen (2) zugeordneten, stirnseitigen Stützelemente (44) an einem Bolzen (46) lagern, der drehbar um eine gemeinsame Achse in die Haltewangen (42) eingreift.
17. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 16, wobei ein dem Energiewandler (6) zugewandter Abschnitt des Haiteelements (4) eine zweite optische Einrichtung (9) aufweist.
18. Photovoltaikanlage nach Anspruch 17, wobei der Anstellwinkel der zweiten optischen Einrichtung (9) zur Senkrechten zwischen 15 und 45 Grad beträgt, insbesondere zwischen 25 und 30 Grad.
19. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 18, wobei das Halteelement (4) zusätzliche Abstützungen aufweist.
20. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 19, wobei das Halteelement (4) wärmeabführende Eigenschaften und/oder wärmeabführende Elemente aufweist.
21. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die erste optische Einrichtung (8) eine optische Strahlablenkungseinrichtung ist.
22. Photovoltaikanlage nach Anspruch 21 , wobei die Strahlablenkungseinrichtung (8) eine z. B. mit Glas geschützte Fresnel-Linsenstruktur aufweist, wobei die Strahlablenkungseinrichtung (8) vorzugsweise entweder durch ihre Eigen-Mikrostruktur selbstreinigend ist oder mit einer selbstreinigenden mikrostrukturierten Oberfläche versehen ist.
23. Photovoltaikanlage nach Anspruch 22, wobei der Beugungswinkel (B) der Strahlablenkungseinrichtung (8) auf den Energiewandler (6) zwischen 15 und 60 Grad, vorzugsweise zwischen 18 und 60° beträgt.
24. Photovoltaikanlage nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Strahlablenkungseinrichtung (8) Abschnitte mit unterschiedlichen Beugungswinkeln (B) aufweist.
25. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die erste optische Einrichtung (8) und/oder der Energiewandler (6) einen bogenförmigen Querschnitt aufweisen.
26. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei die erste optische Einrichtung (8) regelmäßige Verstärkungen (36) aufweist.
27. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei der Energiewandler (6) aus einer für 2 bis 20-fache Konzentration optimierten Solarzelle gebildet ist.
28. Photovoltaikanlage nach Anspruch 27, wobei die Solarzelle eine hohe Wandlereffizienz mit geringen Verschattungsverlusten aufweist.
29. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei die Energiewandleranordnungen (2) auf einer Unterkonstruktion (10) angebracht sind.
30. Photovoltaikanlage nach Anspruch 29, wobei die Unterkonstruktion (10) ein Gitter aus Querträgern (12) aufweist.
31. Photovoltaikanlage nach Anspruch 30, wobei die Unterkonstruktion (10) mittels einer Nachführeinrichtung (16) die Energiewandleranordnungen (2) dem Sonnenstand nachführt.
32. Photovoltaikanlage nach Anspruch 31 , wobei ein Antrieb (20) eine Nachführbewegung der Nachführeinrichtung (16) auf die Querträger (12) überträgt.
33. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei die Unterkonstruktion (10) aus einer Seilanordnung (40) gebildet ist.
34. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 33, wobei das Halteelement (4) ein Windleitelement (30) aufweist.
35. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 34, wobei die Energiewandleranordnungen (2) in einer 0°-Position der Solaranlage (1) in der Art angeordnet sind, dass eine Kante der ersten optischen Einrichtung (8) der Energiewandleranordnung (2) und eine Kante des Energiewandlers (6) einer längs benachbarten Energiewandleranordnung (2) im Wesentlichen deckungsgleich sind.
PCT/EP2010/055172 2009-04-20 2010-04-20 Solaranlage WO2010122009A2 (de)

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