DE4112834C2 - Vorrichtung zum Nachführen von wenigstens einer Solarzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachführen von wenigstens einer Solarzelle, die einer gegenüber dieser wesentlich größeren Unterlage frei beweglich ist, entsprechend einem mittels optischer Elemente konzen­ trierten und aufgrund des sich ändernden Einfallswinkels der Sonnenstrahlung wandernden Lichtfleck selektierter Lichtstrah­ len.

Um bei einer konzentriertem Licht ausgesetzten Solarzelle einen guten Wirkungsgrad zu er­ reichen, ist es notwendig, daß das mittels der optischen Ele­ mente herausgebeugte und konzentrierte Licht immer exakt auf die Solarzelle trifft. Für einen guten Wirkungsgrad muß daher die Solarzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Sonnenstrahlung dem Lauf der Sonne - beispielsweise während eines Tages - relativ exakt nachgeführt werden.

Aus der DE-OS 36 33 172 ist eine solarthermische Anlage be­ kannt, bestehend aus konzentrierenden Kollektoren und einem Energiewandlersystem, wobei das Kollektorfeld auf einem schwimmfähigen Ponton montiert ist. Dieser ist entweder in einem mit einer Flüssigkeit oder mit Druckluft gefüllten, gegen den Ponton abgedichteten Becken drehbar angeordnete oder elektromagnetisch gelagert. Die Nachführung der Sonnenkollek­ toren entsprechend dem Sonnenstand erfolgt mechanisch über einen Motorantrieb. Solche mechanisch arbeitenden Nachfüh­ rungen, die auch in anderen Varianten (Sonnenenergie 5/89 Seite 19 bis 27) bekannt sind, sind aber aufwendig.

Eine Vorrichtung zum Nachführen der eingangs genannten Art ist aus "Funkschau 1978, Heft 9, S. 383-385" bekannt. Bei dieser Vorrichtung fällt das Licht einer im Oberteil eines runden Ge­ häuses fest angeordneten Fresnellinse als Lichtfleck auf die am Gehäuseboden beweglich angeordnete Solarzelle. Auf jeder Seite der Zelle befinden sich gasgefüllte Kammern, die über ein halb­ kreisförmiges Rohr miteinander verbunden sind. Fällt der Licht­ fleck im Laufe des Tages nicht mehr auf die Solarzelle, so trifft er auf eine der Gaskammern und erwärmt dort das Gas. Da­ durch kommt ein Nachführmechanismus in Gang, der die Solarzelle zum Lichtfleck dreht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art mit einer Nachführung ohne mechanisch bewegte Teile und ohne Motorantrieb auszustatten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die der Unterlage zuge­ wandte Seite der Solarzelle mit einem Magneten versehen ist und daß die der Solarzelle zugewandte Seite der Unterlage mehrere wenigstens über ihre im Verlauf eines Tages von dem Lichtfleck der Sonnenstrahlung erfaßte Fläche verteilte Detektoren ent­ hält, die bei einer Belichtung durch den Lichtfleck jeweils ein Magnetfeld erzeugen.

Sobald daher die Sonne so weit gewandert ist, daß sich der Lichtfleck der mittels der optischen Elemente konzentrierten und wellenlängenselektierten Lichtstrahlen nicht mehr auf der Solarzelle, sondern neben der Solarzelle auf der Unterlage be­ findet, werden an dieser Stelle durch die Belichtung der dort befindlichen Detektoren auf der Unterlage Magnetfelder erzeugt, wodurch auf die Solarzelle eine magnetische Anziehungskraft zu der Stelle des Lichtflecks hin wirkt. Durch diese Anziehungs­ kraft bewegt sich die Solarzelle, da sie frei beweglich auf der Unterlage gelagert ist, an diese Stelle, so daß der Lichtfleck erneut auf die Solarzelle trifft. Da die Detektoren an dieser Stelle nunmehr von der Solarzelle abgedeckt sind, werden sie nicht weiter belichtet, so daß die durch die Belichtung ent­ standenen Felder wieder verschwinden.

In Ausgestaltung der Erfindung sind über die Unterlage mehrere in Abstand zueinander und in einer Matrix angeordnete Fotoele­ mente verteilt, die mit lotrecht zu der der Solarzelle zuge­ wandten Seite ausgerichteten pn-Übergängen versehen sind. Es ist beispielsweise möglich, die in einer Matrix angeordneten Fotoelemente als großflächige rotempfindliche Solarzelle aus­ zubilden und zur Erzeugung elektrischer Energie eine blau­ empfindliche Solarzelle zu verwenden.

In weiterer Ausgestaltung sind die pn-Übergänge der Fotoele­ mente als Solarzellen betrieben, und jeder pn-Übergang ist mit einer diesen umgebenden Spule zur Erzeugung des magnetischen Feldes versehen. Bei Belichtung der Fotoelemente erzeugen diese daher einen elektrischen Strom, der durch die Spule fließt und so das Magnetfeld an der belichteten Stelle aufbaut.

In weiterer Ausgestaltung sind die Fotoelemente von jeweils einer Spule umgeben und als Fototransistoren ausgebildet, die bei Belichtung einen mit der Spule verbundenen und mit einer Spannungsquelle versehenen Stromkreis schließen. Ein belich­ teter Fototransistor schließt daher den beispielsweise an eine Batterie angeschlossenen Stromkreis, so daß die nun von Strom durchflossene Spule ein Magnetfeld zum Anziehen der ebenfalls mit einem Magneten versehenen frei beweglichen Solarzelle erzeugt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Unterlage eine Flüssigkeit vorgesehen, auf der die Solarzelle schwimmt. Dadurch ist die Solarzelle auf der Unterlage sehr reibungsarm gelagert, so daß bereits geringe Anziehungskräfte eine Verän­ derung der Position der Solarzelle bewirken.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Solar­ zelle relativ zur Unterlage schwebend zu lagern. Dazu ist die Unterlage beispielsweise senkrecht angeordnet und die Solar­ zelle ist parallel zu dieser in einer mit einer Flüssigkeit versehenen Küvette schwebend gelagert. Mittels eines Hologramms werden die Lichtstrahlen so aufgespalten, daß sie auf die senk­ recht bewegliche Solarzelle treffen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Unterlage der­ art gewölbt, daß die konzentrierten Lichtstrahlen immer lotrecht auf die Oberfläche der Unterlage auftreffen. Die Wölbung der Unterlage ist dabei dem Verlauf des Brennpunktes der optischen Elemente im Lauf eines Tages nachgebildet.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen darge­ stellt sind.

Fig. 1 zeigt schematisch in einer Schnittansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Nachführen einer Solarzelle, bei der eine konzentrierte und wellenlängenselektierte Licht­ strahlen empfangende Solarzelle auf einer mit mehreren in einer Matrix angeordneten Fotoelementen versehenen Unterlage frei beweglich gelagert ist,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung ähnlich Fig. 1, bei der mehrere Fotoelemente als Solarzellen betrie­ ben und in einer Matrix in Abstand zueinander in der Unterlage angeordnet sind, die jeweils von einer Spule umgeben sind, durch die ein elektrischer Strom fließt, sobald die entsprechende Solarzelle belichtet wird,

Fig. 3a in einem Ausschnitt entlang der Linie III-III nach Fig. 2 ein Fotoelement nach Fig. 2, dessen pn- Übergang so mit der Spule verbunden ist, daß das Fotoelement bei Belichtung einen durch die Spule fließenden elektrischen Strom erzeugt und damit den Aufbau eines Magnetfeldes bewirkt,

Fig. 3b eine Ausführungsform ähnlich Fig. 3b, bei der das Fotoelement jedoch als einen mit einer Spannungs­ quelle versehenen Stromkreis schaltender Foto­ transistor ausgebildet ist und

Fig. 4 schematisch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Unterlage so gewölbt ist, daß die selektierten Lichtstrahlen immer im wesentlichen lotrecht auf die Oberfläche der Unterlage und damit auch auf die Oberfläche der Solarzelle auftreffen.

In Fig. 1 sind die optischen Elemente zur Aufspaltung und Konzentrierung der Sonnenstrahlen lediglich durch eine horizontale gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen (9) angedeutet. In Abstand unter­ halb der optischen Elemente (9) ist eine Solarzelle (1) auf einer flächenmäßig wesentlich größeren Unterlage (2) frei beweglich gelagert. Im Ausführungsbeispiel schwimmt die Solar­ zelle auf einem Flüssigkeitsfilm (5), der gestrichelt ange­ deutet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, andere reibungsarme Lagerungen der Solarzelle (1) vorzusehen, die eine freie Beweglichkeit dieser Solarzelle (1) gestatten.

Die Unterlage (2) ist in Fig. 1 und 2 lediglich ausschnitts­ weise dargestellt. Ihre Oberfläche entspricht wenigstens der Fläche, die von dem Lichtfleck der Sonnenstrahlen im Verlauf eines Tages überstrichen wird.

Die Unterlage (2) nach Fig. 1 enthält eine Vielzahl von in Abstand zueinander und in einer Matrix ähnlich Fig. 2 angeord­ neten Fotoelementen (14), die in einem isolierenden Material (4) eingebettet sind. Als Halbleitermaterial für die Fotoele­ mente (14) dient im Ausführungsbeispiel Silizium.

Die der Unterlage zugewandte Unterseite der Solarzelle (1) ist mit einem Magneten (6) versehen. Treffen die Sonnenstrahlen (8) und die durch die optischen Elemente (9) konzentrierten Lichtstrahlen (8′) exakt auf die Solarzelle (1), so wird ein guter Wirkungsgrad zur Erzeugung elektrischer Energie durch die Solarzelle (1) erreicht. Durch den Lauf der Sonne während eines Tages verändert sich jedoch der Einfallwinkel der Sonnenstrahlen, so daß die Sonnenstrahlen (10) nach einer bestimmten Zeit schräg einfallen und durch die optischen Elemente (9) nicht mehr auf die Solarzelle (1), sondern neben diese auf die Unterlage (2) gelenkt werden. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 treffen die Lichtstrahlen (10′) auf eine Fotoelement rechts neben der Solarzelle (1).

Gemäß Fig. 2 und 3a sind die Kontakte des pn-Übergangs jedes Fotoelementes (14) mit einer Spule (12) verbunden, die das Fotoelement (14) umgibt. Dabei ist jedes Fotoelement (14) nach Fig. 2 von einer solchen Spule (12) umgeben, auch wenn in Fig. 2 aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich eine Spule (12) und in Fig. 1 keine Spule dargestellt ist. Sobald ein als Solar­ zelle betriebenes Fotoelement (14) belichtet wird, erzeugt es einen elektrischen Strom, der durch die Spule (12) fließt. Dadurch wird an der belichteten Stelle ein magnetisches Feld (B) aufgebaut.

Die Unterseite der Solarzelle (1) ist mit einem entsprechend entgegengesetzt gepolten Magneten (6), beispielsweise einem Permanentmagneten, versehen, so daß auf die Solarzelle (1) eine Anziehungskraft wirkt, durch die sie in Richtung des Pfeiles (11) auf die durch die Lichtstrahlen (10′) belichtete Stelle des Fotoelementes (14) zubewegt wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und Fig. 3b ist das Fotoelement (14a) als Fototransistor ausgebildet und in einen Stromkreis eingebunden, der mit einer Spannungsquelle (15) versehen ist. Teil dieses Stromkreises ist zudem die das Fotoelement (14a) umgebende Spule (12). Bei Belichtung des Fotoelementes (14a) wird daher der Stromkreis geschlossen, so daß durch die Spule (12) ein Strom fließt und in entsprechender Weise zu Fig. 3a ein Magnetfeld (B) aufgebaut wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Unterlage (2′) derart gewölbt, daß die Lichtstrahlen (8′ bzw. 10′) immer im wesentlichen lotrecht auf ihre Oberfläche auftreffen. Die geo­ metrische Form dieser Unterlage (2′) folgt daher im wesent­ lichen der Bewegung des Brennpunktes der die Sonnenstrahlen konzentrierenden optischen Elemente, wodurch eine Formverän­ derung des Lichtflecks weitgehend vermieden wird. Die wesent­ lich kleinere Solarzelle (1′) ist auf der Innenseite der schalenartigen Unterlage (2′) frei beweglich, wobei die zuvor beschriebenen Anziehungskräfte zwischen dem jeweils belichteten Bereich der Unterlage (2′) und der Solarzelle (1′) so groß sein müssen, daß die reibungsarm gelagerte Solarzelle (1′) auch die Steigung der Innenwandung der Unterlage (2′) überwinden kann.

Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine blauempfindliche Solarzelle in einer mit Flüssigkeit gefüllten Küvette, die auch eine gewölbte Form ähn­ lich Fig. 4 aufweisen kann, derart schwebend gelagert, daß sie parallel zu der mit Fotoelementen versehenen, im wesentlichen vertikal angeordneten Unterlage beweglich ist. Für die schwe­ bende Lagerung der Solarzelle in der Küvette entspricht die Dichte der Solarzelle der Dichte der Flüssigkeit.

Das rote Licht wird durch ein Hologramm weiterhin auf eine nicht weiter beschriebene, horizontal angeordnete Solarzelle geleitet, während das Hologramm die blauen Lichtstrahlen seit­ lich auf die schwebend gelagerte Solarzelle beugt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Nachführen von wenigstens einer Solar­ zelle, die auf einer gegenüber dieser wesentlich größeren Unterlage frei beweglich ist, entsprechend einem mittels optischer Elemente konzentrierten und aufgrund des sich ändernden Einfallswinkels der Sonnen­ strahlung wandernden Lichtfleck selektierter Lichtstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die der Unterlage (2, 2′) zugewandte Seite der Solarzelle (1, 1′) mit einem Magneten (6) versehen ist, und daß die der Solarzelle (1, 1′) zugewandte Seite der Unterlage (2, 2′) mehrere wenig­ stens über ihre im Verlauf eines von der Sonnenstrahlung erfaßte Fläche verteilte Detektoren (14, 14a) enthält, die bei einer Belichtung durch den Lichtfleck jeweils ein Magnetfeld (B) erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Unterlage (2) mehrere in Abstand zueinander und in einer Matrix angeordnete Fotoelemente (14) verteilt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoelemente (14) mit lotrecht zu der der Solarzelle (1) zugewandten Seite ausgerichteten pn-Übergängen versehen sind, die als Solarzellen betrieben sind, und daß jeder pn- Übergang mit einer diesen umgebenden Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoelemente von jeweils einer Spule (12) umgeben und als Fototransistoren (14a) ausgebildet sind, die bei Belichtung einen mit der Spule (12) verbundenen und mit einer Spannungs­ quelle (15), versehenen Stromkreis schließen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle (1, 1′) auf der Unterlage (2, 2′) reibungsarm gelagert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Unterlage (2) eine Flüssigkeit (5) vorgesehen ist, auf der die Solarzelle (1) schwimmt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle relativ zur Unterlage schwebend gelagert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (2′) derart gewölbt ist, daß die konzentrier­ ten Lichtstrahlen (8′, 10′) immer lotrecht auf die Oberfläche der Unterlage (2′) auftreffen.