WO2009135892A2 - Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht Download PDF

Info

Publication number
WO2009135892A2
WO2009135892A2 PCT/EP2009/055509 EP2009055509W WO2009135892A2 WO 2009135892 A2 WO2009135892 A2 WO 2009135892A2 EP 2009055509 W EP2009055509 W EP 2009055509W WO 2009135892 A2 WO2009135892 A2 WO 2009135892A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
photovoltaic
mirror
mirror body
solar cell
incident light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/055509
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009135892A3 (de
Inventor
Peter Draheim
Robert Draheim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102008001640A external-priority patent/DE102008001640A1/de
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to EP09742110A priority Critical patent/EP2294628B1/de
Priority to DE112009001122T priority patent/DE112009001122A5/de
Publication of WO2009135892A2 publication Critical patent/WO2009135892A2/de
Publication of WO2009135892A3 publication Critical patent/WO2009135892A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/60—Arrangements for cooling, heating, ventilating or compensating for temperature fluctuations
    • H10F77/63—Arrangements for cooling directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. heat sinks directly associated with the photovoltaic cells or integrated Peltier elements for active cooling
    • H10F77/68—Arrangements for cooling directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. heat sinks directly associated with the photovoltaic cells or integrated Peltier elements for active cooling using gaseous or liquid coolants, e.g. air flow ventilation or water circulation
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements
    • H10F77/42—Optical elements or arrangements directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H10F77/488—Reflecting light-concentrating means, e.g. parabolic mirrors or concentrators using total internal reflection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a device for concentrating incident light, in particular of sunlight, provided device, comprising at least one statically mounted trough or trough-shaped mirror gel body, by means of which the incident light on at least one photovoltaic absorber means, in particular at least one solar cell, for example on at least one solar cell plate or at least one solar cell latch, is deflected.
  • a device for concentrating incident light in particular of sunlight
  • provided device comprising at least one statically mounted trough or trough-shaped mirror gel body, by means of which the incident light on at least one photovoltaic absorber means, in particular at least one solar cell, for example on at least one solar cell plate or at least one solar cell latch, is deflected.
  • the present invention further relates to a corresponding method for concentrating incident light, in particular sunlight.
  • the light which is formed by the light rays impinging from outside the device, and in particular by the sun rays impinging from the outside, shall be understood above as well as below under the incident light.
  • the term light is understood to mean not only the visible to the eye region of the electromagnetic radiation, which extends in a wavelength range from about 380 nanometers to about 780 nanometers (which corresponds to a frequency of about 789 terahertz down to about 385 terahertz); Rather, the term light is understood to mean the entire, ie also the electromagnetic wavelength or frequency spectrum not visible to the eye, in particular
  • the cost of the photovoltaic material (with a comparable mechanical structure and a comparable mass of about ten kilograms per square meter) of the modules - monocrystalline silicon (with an efficiency of about sixteen percent to about twenty percent and a market price of about 500 EUR per Square meter) about sixty percent,
  • concentrator systems constructed with mirrors and / or with lenses of various types, for example with parabolic mirrors and / or lenses, reduce the problem of high semiconductor material costs, in particular high silicon costs or high galhumarsenide costs, by the concentration factor of the concentrator (factor greater than 1 up to a factor of 1,000);
  • concentration factor of the concentrator factor greater than 1 up to a factor of 1,000
  • such concentrator systems are associated with a much higher mechanical complexity, because this type of light concentration requires a relatively complex mechanical Nachf ⁇ hrung.
  • Static concentrators are fixedly mounted like conventional flat or planar collectors, but due to the design they have a concentration ratio which decreases with increasing acceptance angle of the radiation.
  • the acceptance angle is understood to be the maximum angle of incidence in which the radiation can be absorbed.
  • the concentration ratio in the case of one-dimensional static concentrators is in the range up to approximately 2. For this reason, the space requirement and the production outlay relative to the concentration factor are relatively high.
  • Tracking photovoltaic systems reach concentration factors of over 100, but this requires a very complex mechanics and control; This is especially true for biaxially tracking systems, so that the development of such tracked photovoltaic systems is mainly limited to large systems.
  • diffused light also creates a certain brightness in the concentrator, highly concentrated tracking photovoltaic systems are hardly able to use this diffuse radiation and are therefore suitable for sunny climatic zones, for example in southern Europe.
  • tracked systems with a higher acceptance angle can be designed to use oblique incident light or scattered light. However, then decreases the concentration ratio and thus the use of direct radiation. This increases the relative overhead for tracking and fixation.
  • a solar cell module is provided on both sides effective solar cells, which are arranged over an array of a plurality of mutually parallel trough-shaped and semi-circular in cross-section mirrors; These mirrors redirect the part of the solar radiation incident on the underside of the solar cells next to the solar cells.
  • the document EP 0 059 464 A1 discloses a solar concentrator with a concave mirror which concentrates the solar radiation onto an absorber surface located between the mirror and the sun.
  • the mirror is formed by a solid block of transparent material, the underside of which is convexly curved and mirrored. In or on the top of the block, the absorber surface is arranged.
  • WO 83/01292 A1 WO 90/10182 A1, WO 96/24014 A1, WO 97/00408 A2 and WO 2004/109195 A2.
  • the concentrator systems discussed above have in common their loss of efficiency with temperature increase during operation as well as the increase in resistance of the solar cells with partial shading.
  • the increase in resistance due to heat and / or partial shading results in a reduction in power generation, because the solar elements are connected in series.
  • the present invention has the object, a device of the type mentioned and a method of the type mentioned in such a way that a significant cost reduction by using a concentrator without moving Parts is achievable.
  • the present invention is fundamentally based on the utilization of the defocusing of light radiation; this means in concave, in particular spherically curved or parabolically curved mirrors, the arrangement of the photovoltaic absorber or solar cells below the focal point.
  • the photovoltaic absorber or solar cells between the focal point of the mirror and the apex of the mirror can be arranged.
  • parabolic mirror The shape of a parabolic mirror is well approximated by a spherical mirror shape at small opening angles. Although a parabolic mirror has no Kaustik in the true sense, but also creates a parabolic mirror
  • the caustic effect of a spherical mirror or the hybrid form of a spherical-parabolic mirror is used for concentrators in photovoltaics.
  • the spherical or parabolic mirror may preferably have the shape of a channel or a spherical cap, the focal point of the spherical or parabolic spherical mirror traveling as a result of the Kaustike effect being used for the advantage of the present invention.
  • a caustic used in a spherical or spherical-parabolic concentrator not only a reduction in silicon costs with constant energy yield is possible, but also concentrating the incident light without tracking the concentrator (so that no additional costs for any Spiegelnach entry arise).
  • the caustics of the spherical concentrator mirror in this case allows amplification factors up to the order of the geometry factors (where the geometric factor is the ratio of the opening area of the concentrating mirror and thus the maximum incidence of light to the area of the photovoltaic absorber used in the mirror):
  • the photovoltaic absorber means according to the mirror body according to the invention is statically mounted, no mechanically-technologically complex manufacturing process is required for the photovoltaic concentrator according to the invention; Rather, the mechanical complexity for the production, in particular for mechanical suspension, of the individual modules is comparable to or less than the mechanical complexity for the production of planar systems available today.
  • the present invention in a preferred development neither complicated lens systems still polished surfaces.
  • a mechanically stable modular design without moving parts is made possible, so that a maintenance-free unit of the overall system is given.
  • a significant reduction of the shading can be achieved by a trough-shaped design of the spherical or parabolic mirror surface.
  • the active side of the solar cells can advantageously face the mirror surface, that is to say be directed into the interior of the mirror.
  • the mirror can be fixedly mounted on a building, preferably on the roof of a building. Due to the static mounting, the concentrator system according to the present invention can even replace a part of the roof, which in turn represents a significant cost advantage.
  • the height of the concentrator corresponds to approximately half the radius of the spherical
  • the concentrator device for a sufficient cooling of the absorber, for example by means of at least one integrated in the optical body heat dissipation system, by which a substantial increase Efficiency of the photovoltaic process or process can be achieved.
  • at least one cooling system for example at least one heat sink integrated in the optical system, and / or at least one active cooling can be provided, in which the photovoltaic absorber is cooled by a coolant flowing past.
  • the present invention is characterized by a concentrator effect in a body or hollow body of optically transparent material, which is a mechanically easy to produce and easy to assemble system without mechanical tracking.
  • the present photovoltaic concentrator device has a focus on a focal plane or surface and / or below a focal plane or surface, wherein at least in the case of the use of a spherical reflection of the optical body additionally the effect of the caustic comes to fruition.
  • a suitable position or positioning of the photovoltaic modules between the focus of the mirror body and the vertex of the mirror body and the shape of the photovoltaic modules determine the size of the gain and the acceptance angle.
  • Photovoltaic modules also on more than one side (n Design), in particular on both or all sides (surfaces), the absorber or module holder may be arranged. In this way, directly incident light that would otherwise be shielded by the photovoltaic absorber or photovoltaic modules may be additionally detected.
  • the absorber material or absorber in the direction of the incident light upstream or upstream or superset refractive, especially optically transparent, element for example by means of at least one lens or by means of at least one prism, the conditional by the Kaustik acceptance angle can be increased.
  • the present invention further relates to a photovoltaic panel, a photovoltaic panel or a photovoltaic panel, comprising a plurality of devices according to the kind set forth above, which can be modularly assembled to the field, to the panel and expediently have a common optically transparent cover.
  • the present invention relates to the use of at least one device according to the type set out above and / or at least one photovoltaic panel, at least one photovoltaic panel or at least one photovoltaic panel according to the manner described above for concentrating incident light, in particular sunlight, on at least one photovoltaic absorber means, in particular to at least one solar cell, for example to at least one solar cell plate or to at least one solar cell bar.
  • the device according to the present invention and / or the photovoltaic panel, the photovoltaic panel or the photovoltaic panel according to the present invention is suitable for roof mounting.
  • FIG. 1 A in a schematic cross-sectional view of a production example of a mirror body of a device according to the present invention
  • FIG. 1B in a schematic cross-sectional view an alternative production example for a mirror body of a device according to the present invention
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of a component of an exemplary embodiment of a device according to the present invention.
  • 2B shows a schematic cross-sectional view of a first exemplary embodiment of a device according to the present invention and the related caustics
  • 2C shows a schematic cross-sectional view of a focal point in the spherical mirror with vertically incident light
  • FIG. 2D is a schematic cross-sectional view of a conventional caustic
  • FIG. 2E shows a schematic cross-sectional view of a focal point in the spherical mirror with obliquely incident light
  • FIG. 2F shows a schematic cross-sectional view of a focal point superimposition with perpendicularly and obliquely incident light
  • FIG. 2G shows a schematic cross-sectional view of the conventional caustic of FIG. 2D with slight deviation from a spherical shape in the direction of a parabolic shape in the outer edge regions of the mirror body;
  • FIG. 2H shows a schematic cross-sectional view of the conventional caustic of FIG. 2D and FIG. 2G with photovoltaic absorber means arranged in such a way that no tracking is required;
  • FIG. 2I is a schematic cross-sectional view of the conventional caustics from FIG. 2D, from FIG. 2G and from FIG. 2H with the focal point traveling in accordance with the position of the sun;
  • FIG. 2J shows a schematic cross-sectional view of a conventional focal point in the parabolic mirror with vertically incident light
  • FIG. 2K shows a schematic cross-sectional view of a conventional focal point in the parabolic mirror with obliquely incident light
  • 3A is a schematic cross-sectional view of a component of an exemplary embodiment of a device according to the present invention.
  • 3B is a schematic cross-sectional view of a second embodiment of a device according to the present invention.
  • 3C is a schematic cross-sectional view of a third embodiment of a device according to the present invention.
  • FIG. 3D shows a schematic cross-sectional view of a fourth exemplary embodiment of a device according to the present invention
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of the basis for calculating the device of FIG. 4B;
  • FIG. 4B shows a schematic perspective cross-sectional view of the device provided with a cover in the form of a cover plate of FIG. 3B; and Fig. 4C is a schematic perspective cross-sectional view of an embodiment of a concentrator feeder or panel according to the present invention.
  • FIGS. 1A to 4C Identical or similar configurations, elements or features are provided with identical reference symbols in FIGS. 1A to 4C.
  • the photovoltaic concentrator 100, 100 ', 100 "comprises a spherical or nearly parabolic concave mirror 10, for example of polished aluminum or mirrored plastic, such as mirrored polystyrene panels the cavity of this mirror coating 10 may be filled with a medium, such as a gas, for example with air, or with a transparent liquid, for example with water, or with an optically transparent material.
  • a medium such as a gas, for example with air, or with a transparent liquid, for example with water, or with an optically transparent material.
  • spherical or nearly parabolic concentrator mirror 10 with mirrored Polysterolplatten or with other mirrored materials, such as acrylic sheets or plates with Plexiglas or with polyester plates or polystyrene plates
  • a special mold can be used and then with this mold on pressure and / or temperature of the desired shape of the mirror 10 are generated, for example, the shape of a parabolic mirror by means of approximation via a spherical mirror (or vice versa) can be provided.
  • This approximately parabolic mirror shape is obtainable when, for example, a mirrored Polysterol plate between two fixed support points in the form of Befest Trentsklötzen 12 (see Example of FIG. 1A) or mounting grooves 14 (see. Example of FIG. 1 B) is clamped.
  • a realization with a bottom plate and with different mirrors is possible.
  • the transparent clamping surface 40 also provides good protection of the mirror 10, making the concept suitable for outdoor applications.
  • FIG. 2B shows one of the possible arrangements of the photovoltaic absorption means, that is to say the solar cells 20, in the focal plane or surface of the mirror 10.
  • the photovoltaic absorber means 20 can be arranged substantially parallel to the focal plane or focal plane of the mirror body 10 (cf. exemplary embodiment according to FIG. 3B) or essentially perpendicularly (see exemplary embodiment according to FIG.
  • the photovoltaic taikmodule 20 also in the direction of the incident light (in Fig. 3C and in Fig. 3D so up) can be arranged. In this way, directly incident light that would otherwise be shielded by the photovoltaic modules 20 may be additionally detected. This also applies to other arrangements of the photovoltaic absorber 20, such as in accordance with FIG. 2H.
  • the focal surface is the extension of the dot-dash line.
  • the focal point or focal plane of the spherical mirror 10 moves with the obliquely incident light (see Fig. 2E and Fig. 2F) (see Fig. 2I).
  • the acceptance angle can be much larger.
  • the photovoltaic module 20 within the mirror cap 10 according to the focal point migration (see Fig. 2I) tracked, but not the entire mirror.
  • the tip of the caustic is basically on the circle with radius R / 2. At oblique incidence of light, the tip of the caustic moves on this circle (see Fig. 2E, Fig. 2F, Fig. 21). Now, according to FIG. 2H, the photoabsorbers 20 on a body with radius R / 2 and with radius become larger than
  • the reinforcement via the caustic does not depend solely on the geometry and / or the shape of the photovoltaic modules 20, but also on the design of the mirror 10. Will in the outer edge regions of the mirror 10 of the exact spherical shape of the mirror according to Fig. 2G Mirror 10 deviated in the direction of a slightly parabolic shape of the mirror 10, so this slight deviation has quite an influence on the concentration in the top of the envelope.
  • FIG. 2J focal point in the parabolic mirror with vertically incident light
  • FIG. 2K focal point in the parabolic mirror with obliquely incident light of approximately fifteen degrees
  • the spherical mirror 10 symmetry is achieved at obliquely incident light, so that when obliquely incident light at the spherical mirror 10 no decay of the focal point, but only a shifting, that is to say "wandering" of the focal point occurs (see Fig. 2I).
  • the present invention is based on the use of this wandering, but stable focal point resulting from the caustic, or this traveling, but stable burning surface resulting from the caustics, wherein the traveling focal point or surface has the advantage that the spherical mirror 10 basically has does not need to be tracked.
  • the concentrator system 100, 100 ', 100 has a cover 40 in the form of a cover plate formed for the purpose of translucence or optical transparency, for example made of (acrylic) glass, which is connected to the concave mirror 10 is connected, in particular screwed, and may for example have an optical refractive index n of about 1, 5 or higher.
  • planar cover 40 may be provided with at least one thin coating, in particular with at least one thin foil and / or or with at least one thin layer of different production methods, be provided for light deflection. This results in an equivalent or comparable mode of action as in
  • the angular range of the obliquely incident light can be increased.
  • the thin films and / or thin layers may be - at the top and / or at the bottom of the cover 40 or
  • a hollow heat sink 30 through which gas flows, for example with air or through which liquid, for example water, flows, to which solar cells having an exemplary dimensioning of fifteen millimeters are provided 20 are mounted (see Fig. 3B).
  • solar cells are available as plates in the format of about 150 millimeters to about 150 millimeters; Even solar cell bars with a dimension of about 15 millimeters to about 150 millimeters are commercially available and can be used in the present invention.
  • This cooling system which is operated with gas, for example with air, and / or with liquid, for example with water, is basically optional, since in the case of the concentrator factor which can be achieved in FIG. housing, but can be worked without liquid.
  • This arrangement in the photovoltaic concentrator 100, 100 ', 100 makes it possible for the solar cells 20 to be used even when the concentrator 100, 100' is not perpendicular (see FIG. 2C) but obliquely (see FIG. To illuminate 100 ".
  • the caustic effect also causes scattered light and / or diffuse light a concentration of light in the focal surface and thus an optimal photovoltaic behavior not only in direct or oblique incidence of light, but also in diffused light and / or in scattered light. It should be remembered that obliquely incident light and diffused light are closest to northern European light conditions.
  • FIG. 4B shows the cross section of a photovoltaic concentrator module 100 according to the present invention.
  • This module-shaped device 100 has a concave trough-shaped or trough-shaped, in cross-section spherically or approximately parabolically curved mirror 10 and a cover plate 40, at the mirror 10 facing bottom underside of the rectangular cross-section heat sink 30 is fixed in its lower region in turn, the solar cells 20 are arranged riegeiförmig side.
  • an attachment of the heat sink 30 can also be made at the bottom of the mirror 10 in the vertex.
  • the below-focus cooling element 30, for example, may be formed of aluminum and may have an exemplary dimension of fifteen millimeters by twenty millimeters by two millimeters.
  • Such an arrangement 100 illustrated with reference to FIG. 4B is mechanically simple and inexpensive to implement, requires no (or only a very simple internal) tracking and has a closed, planar surface in the form of the cover plate 40, as well as conventional planar systems is unusual.
  • the system illustrated with reference to FIGS. 1A to 4C is also substantially more independent from the problem of partial shadowing, which is the operation of conventional planar systems negatively affected.
  • a photovoltaic concentrator array or panel 200 according to the present invention has a plurality (three exemplarily in FIG. 4C) of the modular photovoltaic devices 100 shown in FIG. 4B under a closed planar surface 40.
  • the modular construction of the present invention not only makes it possible to mount the carrier body directly in a carrier frame, but also allows the use of solar cells made of materials other than silicon. This distinguishes the present photovoltaic concentrator very much from conventional concentrator structures and is also a prerequisite for a "service friendliness" of the system.
  • the constructed photovoltaic panel or photovoltaic panel 200 see Fig.
  • FIG. 4C has an exemplary area of about one square meter and may, for example, comprise twenty individual modules, each having an exemplary dimension of about one hundred millimeters to about five hundred millimeters. Due to its planar surface, such a photovoltaic panel or panel 200 (see Fig. 4C) can be fixedly mounted on a building, for example integrated into the roof of a building.
  • Typical radii of the spherical mirrors 10 can be between about six centimeters and about ten centimeters, which is a typical height of the concentrator between about four centimeters
  • the present invention can achieve a silicon savings of about 75 percent; at higher gain factors, the cost reduction improves.
  • the present invention for monocrystalline photovoltaic modules, a savings potential of about 25 percent to about 35 percent (, with an increase in efficiency of the concentrator by improving the operating point of the photovoltaic module is not taken into account here).
  • the spherical shape of the mirror cap 10 acts as a concentrator for the photovoltaic modules
  • photovoltaic absorber means in particular photovoltaic element or solar cell, for example solar cell plate or solar cell latch
  • refractive element in particular optically transparent refractive body, for example lens or prism 30 cooling device or coolant
  • cover in particular (cover) cover plate or clamping surface or (top) surface, for example planar and / or transparent (Ab-) cover plate or clamping surface or even closed surface, such as acrylic or Plexiglas plate or polyester plate or Polysterolplatte or polystyrene plate

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

Um eine zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, vorgesehene Vorrichtung (100; 100'; 100"), aufweisend mindestens einen statisch montierten rinnen- oder wannenförmigen Spiegelkörper (10), mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umlenkbar ist, sowie ein entsprechendes Verfahren so weiterzubilden, dass eine signifikante Kostenreduktion durch Einsatz eines Konzentratorsystems ohne bewegliche Teile erzielbar ist, wird vorgeschlagen, dass das photovoltaische Absorbermittel (20) in Bezug auf den Spiegelkörper (10) statisch montiert ist.

Description

V O R R I C H T U N G U N D V E R F A H R E N Z U M K O N Z E N T R I E R E N V O N E I N F A L L E N D E M L I C H T
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, vorgesehene Vorrichtung, aufweisend mindestens einen statisch montierten rinnen- oder wannenförmigen Spie- gelkörper, mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umlenkbar ist. (vgl. Druckschrift DE 202 20 390 U1 aus dem Stand der Technik).
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein entsprechendes Verfahren zum Konzentrieren von einfallen- dem Licht, insbesondere von Sonnenlicht.
Hierbei soll vorstehend sowie im Folgenden unter einfallendem Licht dasjenige Licht verstanden werden, das durch die von außerhalb der Vorrichtung auftreffenden Lichtstrahlen, insbesondere durch die von außen auftreffenden Sonnenstrahlen, gebildet wird.
In diesem Zusammenhang wird jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Licht nicht nur der für das Auge sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung verstanden, der sich in einem Wellenlängenbereich von etwa 380 Nanometer bis etwa 780 Nanometer erstreckt (, was einer Frequenz von etwa 789 Terahertz bis herab zu etwa 385 Terahertz entspricht); vielmehr wird unter dem Begriff Licht das gesamte, also auch das für das Auge nicht sichtbare elektromagnetische Wellenlängen- bzw. Frequenzspektrum verstanden, insbesondere
- der l[nfra]R[ot]-Bereich (Wellenlängenbereich bis zu etwa 2.000 Nanometer bzw. Frequenzbereich bis herab zu etwa 150 Terahertz) und
- der U[ltra]V[iolett]-Bereich (Wellenlängenbereich bis herab zu etwa einem Nanometer bzw. Frequenzbereich bis zu etwa 300 Petahertz).
Stand der Technik
Konventionelle, sich heutzutage im Einsatz befindliche planare Photovoltaiksysteme weisen großflächige Silizi- ummodule auf und sind in der Herstellung sehr kostspielig, wobei die Produktionskosten zur Zeit durch die Kosten des Siliziums bestimmt sind.
Hierbei beträgt der Kostenanteil des Photovoltaikmaterials (bei vergleichbarem mechanischem Aufbau und bei vergleichbarer Masse von etwa zehn Kilogramm pro Quadratmeter) an den Modulen - bei monokristallinem Silizium (mit einem Wirkungsgrad von etwa sechzehn Prozent bis etwa zwanzig Prozent und mit einem Marktpreis von etwa 500 EUR pro Quadratmeter) etwa sechzig Prozent,
- bei polykristallinem Silizium (mit einem Wirkungsgrad von etwa zehn Prozent bis etwa fünfzehn Prozent und mit einem Marktpreis von etwa 350 EUR pro Quadratmeter) etwa vierzig Prozent und
- bei amorphem Silizium (mit einem Wirkungsgrad von etwa acht Prozent bis etwa zehn Prozent und mit einem Marktpreis von etwa 250 EUR pro Quadratmeter) oder bei anderen Halbleiter-Dünnschichtmaterialien etwa zwanzig Prozent.
Aus diesem Grunde kommen in letzter Zeit vermehrt Photovoltaikkonzentratoren zum Einsatz; hierbei werden als Konzentratoren der Lichtbündelung dienende Vorrichtungen der geometrischen Optik bezeichnet, mittels derer eine Vervielfachung der Strahlungsdichte und mithin eine Minimierung von Absorberverlusten erzielbar ist. Aufgrund des erhöhten Wirkungsgrads der photovoltaischen Systeme kann durch eine verringerte Fläche an Solarzellen der Siliziumkostenanteil reduziert und damit das Verhältnis der Solarzellenkosten zu den Gesamtkosten gesenkt werden; als Solarzellenmaterial können hierbei abgesehen von Silizium auch lll/IV-Halbleiter, wie etwa Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumphosphid (InP), verwendet werden.
Derartige mit Spiegeln und/oder mit Linsen unterschiedlichster Art, zum Beispiel mit parabolischen Spiegeln und/oder Linsen, aufgebaute Konzentratorsysteme reduzieren zwar das Problem der hohen Halbleitermaterialkosten, insbesondere der hohen Siliziumkosten oder der hohen Galhumarsenidkosten, um den Konzentrationsfaktor des Konzentrators (Faktor größer als 1 bis zu Faktor 1.000); jedoch sind derartige Konzentratorsysteme mit einem wesentlich höheren mechanischen Aufwand verbunden, denn diese Art der Lichtkonzentration erfordert eine relativ komplexe mechanische Nachfύhrung.
Zumindest in Mittel- und Nordeuropa haben sich derartige Konzentratoren aufgrund des dortigen wolkigen Klimas bislang noch nicht durchgesetzt, denn Konzentratoren nutzen hauptsächlich die direkte Strahlung. Obwohl der Anteil der diffusen Strahlung an der Gesamtstrahlung bis zu fünfzig Prozent betragen kann, bleibt die diffuse
Strahlung zumindest in nachgeführten Konzentratoren zumeist ungenutzt.
Hierbei wird hinsichtlich der Bauform von Photovoltaikkonzentratoren primär zwischen statischen Systemen und nachgeführten Systemen unterschieden. Statische Konzentratoren werden wie übliche Flach- oder Planarkollek- toren fest montiert, weisen aber bauartbedingt ein Konzentrationsverhältnis auf, das mit zunehmendem Akzeptanzwinkel der Strahlung abnimmt. Hierbei wird unter dem Akzeptanzwinkel der maximale Einfallswinkel verstanden, in dem die der Strahlung aufgenommen werden kann.
Durch den großen Akzeptanzwinkel ist bei statischen Photovoltaiksystemen jedoch eine begrenzte Nutzung des diffusen Lichts möglich. Typischerweise liegt das Konzentrationsverhältnis bei eindimensionalen statischen Konzentratoren im Bereich bis etwa 2. Aus diesem Grunde sind der Platzbedarf und der Herstellungsaufwand bezogen auf den Konzentrationsfaktor relativ hoch.
Nachgeführte Photovoltaiksysteme erreichen Konzentrationsfaktoren von über 100, allerdings ist hierfür eine sehr aufwändige Mechanik und Steuerung erforderlich; dies gilt insbesondere für zweiachsig nachgeführte Systeme, so dass sich die Entwicklung derartiger nachgeführter Photovoltaiksysteme hauptsächlich auf große Anlagen beschränkt.
Durch die hohe Windlast ist bei nachgeführten Photovoltaiksystemen eine stabile Abstützung erforderlich, so dass nachgeführte Konzentratoren typischerweise einen hohen Flächenbedarf aufweisen und eine Integration in
Gebäuden kaum möglich ist.
Obwohl auch diffuses Licht eine gewisse Helligkeit im Konzentrator erzeugt, können des Weiteren hochkonzentrierende nachgeführte Photovoltaiksysteme diese diffuse Strahlung kaum nutzen und eignen sich somit haupt- sächlich für sonnige Klimazonen, zum Beispiel in Südeuropa.
Prinzipiell können nachgeführte Systeme mit höherem Akzeptanzwinkel konzipiert werden, um schräg einfallendes Licht oder Streulicht zu nutzen. Allerdings verringert sich dann das Konzentrationsverhältnis und somit die Ausnutzung der direkten Strahlung. Hierdurch steigt der relative Mehraufwand für die Nachführung und für die Fixierung.
Ausgehend davon, dass für kleine bis mittlere Photovoltaiksysteme vor allem in wolkigeren Klimazonen das Problem zugrunde liegt, dass statische Konzentratoren zu niedrige Konzentrationsverhältnisse erreichen, nachgeführte Konzentratoren jedoch einen sehr hohen Aufwand für Nachführung und für Fixierung benötigen, wird in der Druckschrift DE 202 20 390 U1 ein semistatischer Photovoltaik-Konzentrator vorgeschlagen, bei dem das Grundelement ein statischer, fest montierter Spiegel ist, wohingegen der Absorber mit den Solarzellen parallel zur Brennebene verschiebbar ist, wodurch die Fokussierung auf die Absorberfläche erreicht wird. Aus der Druckschrift WO 89/05520 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der bei einem Solarzellenmodul mehrere beidseitig wirksame Solarzellen vorgesehen sind, die über einer Anordnung aus mehreren parallel zueinander verlaufenden rinnenförmigen und im Querschnitt halbkreisförmigen Spiegeln angeordnet sind; diese Spiegel lenken den neben den Solarzellen einfallenden Teil der Solarstrahlung auf die Unterseite der Solarzellen um. In der Druckschrift EP 0 059 464 A1 ist ein Solarkonzentrator mit einem Hohlspiegel offenbart, der die Sonnenstrahlung auf eine zwischen dem Spiegel und der Sonne befindliche Absorberfläche konzentriert. Der Spiegel wird von einem massiven Block durchsichtigen Materials gebildet, dessen Unterseite konvex gebogen und ver- spiegelt ist. In oder auf der Oberseite des Blocks ist die Absorberfläche angeordnet. Aus der Druckschrift DE 195 08 071 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der bei einer Solarzelle nach dem Prinzip der Thermovoltaik durch die Konzentration der Sonnenstrahlen im Brennpunkt oder in der Brennlinie einer spiegelnden Hohlrinne eine höhere Energieausbeute als bei flacher Anordnung der Zellen erreicht wird.
Weitere Konzentratorsysteme aus dem Stand der Technik sind in den Druckschriften US 4 115 149, US 4 173 968, US 4 191 164, US 4 388 481 , US 5 062 899, US 5 344 496, WO 78/00019 A1 ,
WO 83/01292 A1 , WO 90/10182 A1 , WO 96/24014 A1 , WO 97/00408 A2 und WO 2004/109195 A2 offenbart.
Den vorstehend diskutierten Konzentratorsystemen ist ihr Effizienzverlust bei Temperaturerhöhung im Betrieb sowie auch die Widerstandserhöhung der Solarzellen bei Teilabschattung gemeinsam. Die Widerstandserhö- hungen durch Wärme und/oder durch Teilabschattung ziehen eine Reduktion der Stromerzeugung nach sich, denn die Solarelemente sind in Reihe geschaltet.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die bekannten Konzentratorsysteme mechanisch komplex sind und einen hohen Wartungsaufwand erfordern, wohingegen die heutzutage erhältlichen planaren Systeme infolge des hohen Siliziumaufwands zu teuer sind.
Daneben gibt es auch Systeme, die aus Polysilizium-Photovoltaikmodulen und/oder aus Dünnschicht- Photovoltaikmodulen aufgebaut sind. Ein derartiger Aufbau ist zwar preiswerter als ein Aufbau aus Silizium- Photovoltaikmodulen, hat jedoch regelmäßig einen geringeren Wirkungsgrad.
Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Stands der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine signifikante Kostenreduktion durch Einsatz eines Konzentratorsystems ohne bewegliche Teile erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweck- mäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung basiert grundsätzlich auf der Ausnutzung der Defokussierung von Lichteinstrahlung; dies bedeutet bei konkaven, insbesondere sphärisch gewölbten oder parabolisch gewölbten, Spiegeln die Anordnung der photovoltaischen Absorber oder Solarzellen unterhalb des Brennpunkts. Alternativ oder ergänzend hierzu können die photovoltaischen Absorber oder Solarzellen zwischen dem Brennpunkt des Spiegels und dem Scheitelpunkt des Spiegels angeordnet sein.
Bei sphärischen Spiegeln wird dieser Effekt durch die sphärische Aberration und die dadurch hervorgerufene Kaustik in sehr wesentlicher Weise unterstützt (zum Phänomen der Kaustik vgl. zum Beispiel
- http://de.wikιpedia.org/wikι/Kaustιk_(Optik),
- das von Carl Ernst Heinrich Gnmsehl, Walter Schallreuter und Rudolf Seehger verfasste "Lehrbuch der Physik", Band 3: Optik, Verlag Teubner, 14. Auflage (1962),
- das von Henrik Wann Jensen verfasste Buch "Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping", Verlag A.K. Peters, Wellesley (Juli 2001 ) oder
- das Manuskript zum von Johannes Kofier, Institut für Angewandte Physik der Johannes-Kepler-Universität Linz, am 31. März 2005 gehaltenen Vortrag "Lichtfokussierung durch Mikrokugeln").
Die Form eines Parabolspiegels wird bei kleinen Öffnungswinkeln gut durch eine sphärische Spiegelform ange- nähert. Ein Parabolspiegel weist zwar im eigentlichen Sinne keine Kaustik auf, jedoch entsteht ebenfalls eine
Brennfläche, wenn das zu beleuchtende Objekt, also die Solarzelle, unterhalb des Brennpunkts angebracht wird.
Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung der Kaustikeffekt eines sphärischen Spiegels oder der Mischform eines sphärisch-parabolischen Spiegels für Konzentratoren in der Photovoltaik genutzt.
Der sphärische bzw. sphärisch-parabolische Spiegel kann hierbei in bevorzugter Weise die Form einer Rinne oder einer Kugelkalotte aufweisen, wobei der als Folge des Kaustikeffekts wandernde Brennpunkt des sphärischen bzw. sphärisch-parabolischen Spiegels zum Vorteil der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Wird also bei einem sphärischen bzw. sphärisch-parabolischen Konzentratorspiegel dessen Kaustik ausgenutzt, so ist nicht nur eine Reduktion der Siliziumkosten bei gleich bleibender Energieausbeute möglich, sondern auch ein Konzentrieren des einfallenden Lichts ohne Nachführung des Konzentrators (, so dass keine zusätzlichen Kosten für eine etwaige Spiegelnachführung entstehen). Die Kaustik des sphärischen Konzentratorspiegels ermöglicht hierbei Verstärkungsfaktoren bis zur Größenordnung der Geometriefaktoren (, wobei unter dem Geometriefaktor das Verhältnis der Öffnungsfläche des konzentrierenden Spiegels und damit des maximalen Lichteinfalls zur Fläche der im Spiegel eingesetzten Photovol- taikabsorber verstanden wird):
- ohne Nachführung: Toleranzwinkel von etwa ± zehn Grad oder größer; - mit unterstützender (konzentrierender) Optik direkt vor dem photovoltaischem Material: Toleranzwinkel von etwa ± fünfzehn Grad oder größer.
Da das photovoltaische Absorbermittel in Bezug auf den Spiegelkörper erfindungsgemäß statisch montiert ist, ist für die erfindungsgemäße Photovoltaik-Konzentratorvorrichtung kein mechanisch-technologisch aufwändiges Herstellungsverfahren erforderlich; vielmehr ist der mechanische Aufwand zur Herstellung, insbesondere zur mechanischen Aufhängung, der einzelnen Module vergleichbar mit dem oder geringer als der mechanische Aufwand zur Herstellung heutzutage erhältlicher planarer Systeme.
Infolge der Nutzung der Kaustik und der dadurch hervorgerufenen Brennfläche mindestens einer auf einfache Weise bereitstellbaren sphärischen oder annähernd parabolischen Spiegelfläche weist die vorliegende Erfindung in bevorzugter Weiterbildung weder komplizierte Linsensysteme noch geschliffene Oberflächen auf. Hierdurch wird ein mechanisch stabiler modularer Aufbau ohne bewegliche Teile ermöglicht, so dass eine Wartungsfrei heit des Gesamtsystems gegeben ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann durch eine wannenförmigen Ausgestaltung der sphärischen oder parabolischen Spiegelfläche eine signifikante Reduktion der Abschattung erzielt werden. Hierbei kann die aktive Seite der Solarzellen mit Vorteil der Spiegelfläche zugewandt sein, also in das Innere des Spiegels gerichtet sein.
Demzufolge kann eine direkte Abschattung innerhalb der erfindungsgemäßen Photovoltaik- Konzentratorvorrichtung reduziert werden, so dass die Effizienz der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gesteigert werden kann. Aufgrund der vorzugsweise planaren Oberfläche des Konzentratorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Spiegel fest auf einem Gebäude, vorzugsweise auf dem Dach eines Gebäudes, montiert werden. Aufgrund der statischen Montage kann das Konzentratorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung sogar einen Teil des Dachs ersetzen, was wiederum einen erheblichen Kostenvorteil darstellt. In zweckmäßiger Weise entspricht die Bauhöhe des Konzentrators in etwa dem halben Radius des sphärischen
Spiegels. Dies bedeutet beispielsweise bei einem Radius des sphärischen Spiegels von acht Zentimetern eine ungefähre Bauhöhe des Konzentrators von vier Zentimetern, was der Bauhöhe heutiger planarer Systeme entspricht. Da die erzielbare Leistung von Solarzellen mit steigender Temperatur sinkt, ist es zweckmäßig, bei der Kon- zentratorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für eine ausreichende Kühlung des Absorbers zu sorgen, zum Beispiel mittels mindestens eines im optischen Körper integrierten Wärmeabführungssystems, durch das eine wesentliche Steigerung der Effizienz des Photovoltaikprozesses oder -Vorgangs erreicht werden kann. Hierzu kann mindestens ein Kühlsystem, zum Beispiel mindestens ein in das optische System integrierter Kühlkörper, und/oder mindestens eine aktive Kühlung vorgesehen sein, bei der der Photovoltaikabsorber durch ein vorbei fließendes Kühlmittel gekühlt wird.
Insgesamt zeichnet sich die vorliegende Erfindung durch einen Konzentratoreffekt in einem Körper oder Hohl- körper aus optisch transparentem Material auf, wobei es sich um ein mechanisch einfach herstellbares und ohne großen Aufwand montierbares System ohne mechanische Nachführung handelt.
Die vorliegende Photovoltaikkonzentratorvorrichtung weist eine Fokussierung auf eine Brennebene bzw. -fläche und/oder unterhalb einer Brennebene bzw. -fläche auf, wobei zumindest im Falle des Einsatzes einer sphäri- sehen Verspiegelung des optischen Körpers zusätzlich die Wirkung der Kaustik zum Tragen kommt. Eine zweckmäßige Lage oder Positionierung der Photovoltaikmodule zwischen dem Brennpunkt des Spiegelkörpers und dem Scheitelpunkt des Spiegelkörpers sowie die Formgebung der Photovoltaikmodule bestimmen die Größe der Verstärkung und des Akzeptanzwinkels. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung können die Photovoltaikabsorber oder
Photovoltaikmodule auch auf mehr als einer Seite(nfläche), insbesondere auf beiden oder allen Seiten(flächen), der Absorber- oder Modulhalterung angeordnet sein. Auf diese Weise kann direkt einfallendes Licht, das ansonsten durch die Photovoltaikabsorber oder Photovoltaikmodule abgeschirmt würde, zusätzlich erfasst werden. In zweckmäßiger Weise kann mittels mindestens eines dem Absorbermaterial oder Absorbermittel in Richtung des einfallenden Lichts vorgelagerten oder vorgeschalteten oder vorgesetzten lichtbrechenden, insbesondere optisch transparenten, Elements, zum Beispiel mittels mindestens einer Linse oder mittels mindestens eines Prismas, der durch die Kaustik bedingte Akzeptanzwinkel vergrößert werden. Mittels der vorliegenden Erfindung ist eine Vervielfachung der Strahlungsdichte und mithin eine Minimierung von Verlusten im Photovoltaikabsorber erzielbar, womit eine Kostenreduktion der Photovoltaikmodule gegenüber konventionellen Systemen einhergeht. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Photovoltaikfeld, ein Photovoltaikpanel oder eine Photovol- taikplatte, aufweisend mehrere Vorrichtungen gemäß der vorstehend dargelegten Art, die modulartig zum Feld, zum Panel bzw. zur Platte zusammengesetzt sein können und zweckmäßigerweise eine gemeinsame optisch transparente Abdeckung aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung mindestens einer Vorrichtung gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens eines Photovoltaikfelds, mindestens eines Photovoltaikpanels oder mindestens einer Photovoltaikplatte gemäß der vorstehend dargelegten Art zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen So- larzellenriegel.
Hierdurch ist im Vergleich zu bestehenden Photovoltaiksystemen, insbesondere zu bestehenden Photovoltaik- modulen, eine erhebliche Kostenreduktion erzielbar, wobei für den Photovoltaikkonzentrator keinerlei Nachführung erforderlich ist. Durch eine vorteilhafterweise abgeschlossene und/oder planare Oberfläche ist die Vorrich- tung gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder das Photovoltaikfeld, das Photovoltaikpanel oder die Photovoltaikplatte gemäß der vorliegenden Erfindung für die Dachmontage geeignet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1 nachge- ordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand der durch Fig. 1 A bis Fig. 4C veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 A in schematischer Querschnittdarstellung ein Herstellungsbeispiel für einen Spiegelkörper einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1 B in schematischer Querschnittdarstellung ein alternatives Herstellungsbeispiel für einen Spiegelkörper einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A in schematischer Querschnittdarstellung einen Bestandteil eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrich- tung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2B in schematischer Querschnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sowie der diesbezüglichen Kaustik; Fig. 2C in schematischer Querschnittdarstellung einen Brennpunkt im sphärischen Spiegel bei senkrecht einfallendem Licht;
Fig. 2D in schematischer Querschnittdarstellung eine konventionelle Kaustik; Fig. 2E in schematischer Querschnittdarstellung einen Brennpunkt im sphärischen Spiegel bei schräg einfallendem Licht;
Fig. 2F in schematischer Querschnittdarstellung eine Brennpunktüberlagerung bei senkrecht und schräg einfal- lendem Licht;
Fig. 2G in schematischer Querschnittdarstellung die konventionelle Kaustik aus Fig. 2D mit leichter Abweichung von sphärischer Form in Richtung parabolischer Form in den äußeren Randbereichen des Spiegelkör- pers;
Fig. 2H in schematischer Querschnittdarstellung die konventionelle Kaustik aus Fig. 2D und aus Fig. 2G mit photovoltaischen Absorbermitteln derart angeordnet, dass keine Nachführung erforderlich ist;
Fig. 2I in schematischer Querschnittdarstellung die konventionelle Kaustik aus Fig. 2D, aus Fig. 2G und aus Fig. 2H mit gemäß dem Sonnenstand wanderndem Brennpunkt;
Fig. 2J in schematischer Querschnittdarstellung einen konventionellen Brennpunkt im Parabolspiegel bei senkrecht einfallendem Licht; Fig. 2K in schematischer Querschnittdarstellung einen konventionellen Brennpunkt im Parabolspiegel bei schräg einfallendem Licht;
Fig. 3A in schematischer Querschnittdarstellung einen Bestandteil eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B in schematischer Querschnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3C in schematischer Querschnittdarstellung ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3D in schematischer Querschnittdarstellung ein viertes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 4A in schematischer Querschnittdarstellung die Berechnungsgrundlage für die Vorrichtung aus Fig. 4B;
Fig. 4B in schematisch-perspektivischer Querschnittdarstellung die mit einer Abdeckung in Form einer Deckplatte versehene Vorrichtung aus Fig. 3B; und Fig. 4C in schematisch-perspektivischer Querschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel für ein Konzentratorfeid oder -panel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in Fig. 1A bis Fig. 4C mit identischen Bezugszeichen versehen.
Bester Weg zur Ausführung der vorliegenden Erfindung
Zur Vermeidung überflüssiger Wiederholungen beziehen sich die nachfolgenden Erläuterungen hinsichtlich der Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung (soweit nicht anderweitig angegeben) auf sämtliche in Fig. 1A bis Fig. 4C dargestellten exemplarischen Ausgestaltungen von Vorrichtungen 100, 100', 100" gemäß der vorliegenden Erfindung; hierbei ist die Darstellung in Fig. 1A bis Fig. 4C nicht notwendigerweise maßstabs- und/oder funktionsgetreu, sondern dient lediglich der exemplarischen Veranschaulichung. Wie Fig. 2A entnehmbar ist, weist der Photovoltaik-Konzentrator 100, 100', 100" einen sphärischen oder annähernd parabolischen Hohlspiegel 10, zum Beispiel aus polierter Aluminiumoberfläche oder aus verspiegeltem Kunststoff, wie etwa aus verspiegelten Polysterolplatten, auf, wobei der Hohlraum dieser Verspiegelung 10 mit einem Medium, wie etwa mit einem Gas, zum Beispiel mit Luft, oder mit einer transparenten Flüssigkeit, zum Beispiel mit Wasser, oder mit einem optisch transparenten Material, ausgefüllt sein kann.
Bei der Herstellung sphärischer oder annähernd parabolischer Konzentratorspiegel 10 mit verspiegelten Polysterolplatten oder auch mit anderen verspiegelten Materialien, wie zum Beispiel mit Acrylglasplatten oder mit Plexiglasplatten oder mit Polyesterplatten oder mit Polystyrol platten, kann eine spezielle Pressform eingesetzt und sodann mit dieser Pressform über Druck und/oder über Temperatur die gewünschte Form des Spiegels 10 erzeugt werden, wobei zum Beispiel die Form eines parabolischen Spiegels mittels Annäherung über einen sphärischen Spiegel (oder auch umgekehrt) bereit gestellt werden kann.
Diese annähernd parabolische Spiegelform ist erhaltbar, wenn zum Beispiel eine verspiegelte Polysterol platte zwischen zwei festen Haltepunkten in Form von Befestigungsklötzen 12 (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A) oder Befestigungsnuten 14 (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 B) eingespannt wird. Auch eine Realisierung mit einer Bodenplatte und mit unterschiedlichen Spiegeln ist möglich.
Die Einspannung zwischen den zwei Haltepunkten 12 (vgl. Fig. 1A) oder 14 (vgl. Fig. 1 B) ergibt in sehr guter Näherung eine Parabelform der Gleichung y = a x2, die dann durch Druck auf den Scheitelpunkt in eine sphäri- sehe Form überführt werden kann. Dieser Druck kann über die Einspannung des Spiegels 10 in die Photovol- taikkonzentrator-Halterung erzeugt und aufrecht erhalten werden.
Dies ist eine Möglichkeit einer einfachen, kostengünstigen und flexiblen Herstellung von sphärischen und parabolischen Spiegeln 10 ohne die Gefahr einer Spiegelbeschädigung bei der Herstellung. Die transparente Einspann- fläche 40 stellt außerdem einen guten Schutz des Spiegels 10 dar, womit das Konzept für Außenanwendungen geeignet ist.
Die in Bezug auf den Spiegelkörper 10 statisch montierten (handelsüblichen Standard-)Solarzellen 20 befinden sich unterhalb des Brennpunkts des Spiegels 10 in seiner durch die Kaustik hervorgerufenen Brennfläche. In Fig. 2B ist eine der möglichen Anordnungen des photovoltaischen Absorbermittels, das heißt der Solarzellen 20 in der Brennebene oder -fläche des Spiegels 10 dargestellt.
Grundsätzlich kann das photovoltaische Absorbermittel 20 im Wesentlichen parallel (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3B) oder im Wesentlichen senkrecht (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3C) zur Brennebene oder Brennfläche des Spiegelkörpers 10 angeordnet sein.
Auch eine beliebige,
- insbesondere beliebig zur Brennebene oder Brennfläche des Spiegelkörpers 10 gewinkelte und/oder
- insbesondere beliebig zueinander gewinkelte Anordnung der photovoltaischen Absorbermittel 20 ist möglich (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3D). Hierbei bestimmen die geometrische Lage bzw. Positionierung der Photovoltaikmodule 20 sowie die Ausbildung der Photovoltaikmodule 20 die Konzentratorverstärkung und den Akzeptanzwinkel.
Aus der exemplarischen Darstellung der Fig. 3C und der Fig. 3D geht des Weiteren hervor, dass die Photovol- taikmodule 20 auch in Richtung des einstrahlenden Lichts (in Fig. 3C und in Fig. 3D also nach oben) angeordnet sein können. Auf diese Weise kann direkt einfallendes Licht, das ansonsten durch die Photovoltaikmodule 20 abgeschirmt würde, zusätzlich mit erfasst werden. Dies gilt auch für andere Anordnungen der photovoltaischen Absorber 20, wie zum Beispiel gemäß Fig. 2H.
In Fig. 2B bildet die gestrichelte Linie die sogenannte Hüllkurve (= Einhüllende oder Enveloppe) der Kaustik, wobei unter der Hüllkurve diejenige Kurve verstanden wird, die jede Kurve der Kurvenschar in einem Punkt berührt. Die Brennfläche ist die Verlängerung der strichpunktierten Linie. Wie Fig. 2E, Fig. 2F und Fig. 2I entnehmbar ist, wandert die Spitze der Kaustik-Hüllkurve oder Kaustik-
Enveloppe mit dem Einfallswinkel der Strahlung, was bei einer sphärischen Spiegelanordnung in einem im Vergleich zu einem Parabolspiegel sehr großen Akzeptanzwinkel resultiert. Dieser Akzeptanzwinkel ist dann durch die geometrische Anordnung und Form der Photovoltaikmodule 20 bestimmt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3C ist veranschaulicht, dass mittels eines dem Absorbermaterial oder Absorbermittel 20 in Strahlrichtung vorgelagerten oder vorgeschalteten oder vorgesetzten lichtbrechenden, optisch transparenten Elements 22 (= in Fig. 3C exemplarisch eine Linse) der durch die Kaustik bedingte Akzeptanzwinkel weiter vergrößert werden kann. Hierdurch wird berücksichtigt, dass die Brennspitze bzw. Brennfläche des sphärischen Spiegels 10 mit dem schräg einfallenden Licht (vgl. Fig. 2E und Fig. 2F) wandert (vgl. Fig. 2I). Durch Anbringen eines derartigen Elements 22 kann also optisch die Wirkung der Kaustik vergrößert und somit ein größerer Akzeptanzwinkel erhalten werden.
Mittels einer zweckmäßig ausgebildeten Nachführung, zum Beispiel in Winkelschritten von etwa fünf Grad bis etwa zehn Grad, kann der Akzeptanzwinkel sehr viel größer werden. Hierbei wird in bevorzugter Weise das photovoltaische Modul 20 innerhalb der Spiegelkalotte 10 gemäß der Brennpunktwanderung (vgl. Fig. 2I) nachgeführt, jedoch nicht der gesamte Spiegel.
Dies ist ein wesentlicher Unterschied in der die Kaustik ausnützenden, dem wandernden Brennpunkt (vgl. Fig. 2I) folgenden Nachführung eines sphärischen Spiegels zu einem parabolischen Spiegel gemäß der vorlie- genden Erfindung und liegt in der Symmetrie des sphärischen Spiegels und der Wirkung der Kaustik begründet.
Gemäß Fig. 2D, Fig. 2G und Fig. 2H befindet sich die Spitze der Kaustik grundsätzlich auf dem Kreis mit Radius R/2. Bei schrägem Lichteinfall wandert die Spitze der Kaustik auf diesem Kreis (vgl. Fig. 2E, Fig. 2F, Fig. 21). Werden nun gemäß Fig. 2H die Photoabsorber 20 auf einem Körper mit Radius R/2 und mit Radius größer als
R/2 angebracht, so wandert bei schräg einfallendem Licht die Kaustikspitze auf diesem kreisförmigen Körper, und es wird wiederum keine Nachführung benötigt (vgl. Fig. 2H). Als Photoabsorptionsmittel 20 sind hierbei Dünnschicht-Photomodule am besten geeignet, denn derartige Dünnschicht-Photomodule lassen sich auf Körper beliebiger Form aufbringen.
Die Verstärkung über die Kaustik hängt nicht allein von der Geometrie und/oder von der Formgebung der photovoltaischen Module 20 ab, sondern auch von der Gestaltung des Spiegels 10. Wird gemäß Fig. 2G in den äußeren Randbereichen des Spiegels 10 von der exakt sphärischen Form des Spiegels 10 in Richtung einer leicht parabolischen Form des Spiegels 10 abgewichen, so hat diese leichte Abweichung durchaus Einfluss auf die Konzentration in der Spitze der Hüllkurve.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass noch einen Kaustik-Effekt zeitigende Mischformen in der Gestaltung des Spiegels von erfindungswesentlichem Interesse sein können. Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch aus einer parabolischen Form des Spiegels 10 durch Druck über mindestens eine (Druck-)Platte in eine sphärische Form des Spiegels 10 übergegangen werden. In dieser Weise ergibt sich kein eindeutig definierter sphärischer Spiegel, sondern in zweckmäßiger Weise eine Mischform aus parabolischem Spiegel und sphärischem Spiegel. Soll ein eindeutig sphärischer Spiegel 10 bereit gestellt wer- den, hat die (Druck-)Platte eine sphärische Ausführung, oder der Kunststoffspiegel ist thermisch vorgeformt.
Anhand Fig. 2J (= Brennpunkt im Parabolspiegel mit senkrecht einfallendem Licht) und Fig. 2K (= Brennpunkt im Parabolspiegel mit schräg, nämlich unter etwa fünfzehn Grad einfallendem Licht) können die Unterschiede zwischen dem Einsatz eines sphärischen Spiegels 10 und dem Einsatz eines parabolischen Spiegels veranschau- licht werden.
Während beim parabolischen Spiegel Symmetrie bzw. Vollkommenheit (nur) bei senkrecht einfallendem Licht erzielt wird, wird beim sphärischen Spiegel 10 Symmetrie (auch) bei schräg einfallendem Licht erzielt, so dass bei schräg einfallendem Licht beim sphärischen Spiegel 10 kein Zerfallen des Brennpunkts, sondern lediglich ein Verschieben, das heißt "Wandern" des Brennpunkts erfolgt (vgl. Fig. 2I).
Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Nutzung dieses aus der Kaustik resultierenden wandernden, aber stabilen Brennpunkts bzw. dieser aus der Kaustik resultierenden wandernden, aber stabilen Brennfläche, wobei der wandernde Brennpunkt bzw. die wandernde Brennfläche den Vorteil hat, dass der sphärische Spiegel 10 grundsätzlich nicht nachgeführt werden muss.
Der Darstellung in Fig. 3A ist entnehmbar, dass das Konzentratorsystem 100, 100', 100" eine zum Zwecke der Lichtdurchlässigkeit bzw. der optischen Transparenz zum Beispiel aus (Acryl-)Glas gebildete Abdeckung 40 in Form einer Abdeckplatte aufweist, die mit dem Hohlspiegel 10 verbunden, insbesondere verschraubt, ist und zum Beispiel einen optischen Brechungsindex n von etwa 1 ,5 oder höher aufweisen kann.
Um diffuses und/oder schräg einfallendes Licht besser auszunutzen, kann die planare Abdeckung 40 (vgl. Fig. 1A, Fig. 1 B, Fig. 3A, Fig. 4B) mit mindestens einer dünnen Beschichtung, insbesondere mit mindestens einer dünnen Folie und/oder mit mindestens einer dünnen Schicht unterschiedlichster Herstellungsweise, zur Lichtumlenkung versehen sein. Hierdurch ergibt sich eine äquivalente oder vergleichbare Wirkungsweise wie bei
Brechungseffekten an optisch unterschiedlich dichten Medien.
Durch diese optionale technische Maßnahme kann der Winkelbereich des schräg einfallenden Lichts vergrößert werden. Die dünnen Folien und/oder dünnen Schichten können - an der Oberseite und/oder an der Unterseite der Abdeckung 40 oder
- an der Oberseite eines massiven, optisch transparenten Körpers 50 angeordnet sein.
Um die Effizienz der Photovoltaik- oder Solarzellen 20 zu erhöhen, ist ein hohler, mit Gas, zum Beispiel mit Luft, durchströmter oder von Flüssigkeit, zum Beispiel von Wasser, durchflossener Kühlkörper 30 vorgesehen, auf den die eine exemplarische Dimensionierung von fünfzehn Millimetern aufweisenden Solarzellen 20 montiert sind (vgl. Fig. 3B).
Kommerziell sind Solarzellen als Platten im Format von etwa 150 Millimeter auf etwa 150 Millimeter erhältlich; auch Solarzellen-Riegel mit einer Dimensionierung von etwa 15 Millimeter auf etwa 150 Millimeter sind kommerziell verfügbar und bei der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
Dieses mit Gas, zum Beispiel mit Luft, und/oder mit Flüssigkeit, zum Beispiel mit Wasser, betriebene Kühlsystem ist grundsätzlich optional, denn beim in Fig. 3B erzielbaren Konzentratorfaktor kann zwar mit einem Kühige- häuse, jedoch auch ohne Flüssigkeit gearbeitet werden kann.
Diese Anordnung im Photovoltaik-Konzentrator 100, 100', 100" ermöglicht es, die Solarzellen 20 auch bei nicht senkrecht (vgl. Fig. 2C), sondern schräg (vgl. Fig. 2E) einfallendem Licht ohne Nachführung des Konzentrators 100, 100', 100" auszuleuchten. Der Kaustikeffekt bewirkt des Weiteren auch bei Streulicht und/oder bei diffusem Licht eine Lichtkonzentration in der Brennfläche und mithin ein optimales photovoltaisches Verhalten nicht nur bei direktem oder schrägem Lichteinfall, sondern auch bei diffusem Licht und/oder bei Streulicht. Hierbei ist zu bedenken, dass schräg einfallendes Licht und diffuses Licht den nordeuropäischen Lichtverhältnissen am ehesten entspricht.
Da mit der Vorrichtung 100, 100', 100" gemäß der vorliegenden Erfindung Konzentrationsverhältnisse zwischen einem Faktor größer als 1 und höheren Faktoren ohne weiteres realisierbar sind (der konkrete Konzentrationsfaktor hängt unter anderem von der Anordnung der Solarzellen 20 in der Brennfläche ab), reduziert sich der Siliziumaufwand bei der vorliegenden Erfindung gegenüber planaren Modulen um diesen Faktor, wodurch eine erhebliche Kostenreduktion bewirkt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3B ist ein Geometriefaktor von etwa 1 :3 wiedergegeben.
In Fig. 4B ist der Querschnitt eines Photovoltaik-Konzentratormoduls 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese modulförmige Vorrichtung 100 weist einen konkaven rinnen- oder wannenförmigen, im Quer- schnitt sphärisch oder annähernd parabelförmig gewölbten Spiegel 10 sowie eine Deckplatte 40 auf, an deren dem Spiegel 10 zugewandter Unterseite mittig der im Querschnitt rechteckförmige Kühlkörper 30 befestigt ist, in dessen unterem Bereich wiederum die Solarzellen 20 riegeiförmig seitlich angeordnet sind.
Alternativ oder ergänzend kann eine Befestigung der Kühlkörper 30 auch am Boden des Spiegels 10 im Schei- telpunkt vorgenommen werden.
Das zum Beispiel unterhalb des Brennpunkts angeordnete Kühlelement 30 kann aus Aluminium gebildet sein und eine exemplarische Dimensionierung von fünfzehn Millimetern auf zwanzig Millimeter auf zwei Millimeter aufweisen.
Eine derartige, anhand Fig. 4B veranschaulichte Anordnung 100 ist mechanisch einfach und kostengünstig realisierbar, benötigt keine (oder lediglich eine sehr einfache interne) Nachführung und hat eine geschlossene, ebene Oberfläche in Form der Abdeckplatte 40, so wie dies auch bei konventionellen planaren Systemen nicht unüblich ist.
Da aufgrund der Wirkung des Spiegels 10 und der damit einher gehenden Kaustik der gesamte Konzentrator- körper 50 in seinem Inneren erhellt ist, ist das anhand Fig. 1A bis Fig. 4C veranschaulichte System auch im Wesentlichen unabhängiger vom Problem der Teilabschattung, die die Funktionsweise konventioneller planarer Systeme negativ beeinflusst.
Ein anhand Fig. 4C veranschaulichtes Photovoltaikkonzentratorfeld oder -panel 200 gemäß der vorliegenden Erfindung weist in seinem Aufbau eine Vielzahl (in Fig. 4C exemplarisch drei) der in Fig. 4B dargestellten modulartigen Photovoltaikvorrichtungen 100 unter einer geschlossenen planaren Oberfläche 40 auf. Der modulare Aufbau der vorliegenden Erfindung ermöglicht es nicht nur, den Trägerkörper direkt in einem Trägerrahmen zu montieren, sondern erlaubt auch den Einsatz von Solarzellen aus anderen Materialen als Silizium. Dies unterscheidet den vorliegenden Photovoltaik-Konzentrator sehr wesentlich von konventionellen Konzentra- toraufbauten und ist auch Voraussetzung für eine "Servicefreundlichkeit" des Systems. Das aufgebaute Photovoltaikfeld oder Photovoltaikpanel 200 (vgl. Fig. 4C) hat eine exemplarische Fläche von etwa einem Quadratmeter und kann zum Beispiel zwanzig Einzelmodule aufweisen, von denen jedes eine exemplarische Dimensionierung von etwa einhundert Millimetern auf etwa fünfhundert Millimeter aufweist. Aufgrund seiner planaren Oberfläche kann ein derartiges Photovoltaikfeld oder -panel 200 (vgl. Fig. 4C) fest auf einem Gebäude montiert werden, zum Beispiel in das Dach eines Gebäudes integriert werden.
Mit der vorliegenden Erfindung sind Solarstromverstärkungsfaktoren zwischen etwa 3 (<--> höherer Akzeptanzwinkel) und etwa 6 erzielbar. Typische Radien der sphärischen Spiegel 10 können zwischen etwa sechs Zenti- metern und etwa zehn Zentimetern liegen, was einer typischen Bauhöhe des Konzentrators zwischen etwa vier
Zentimetern und etwa sechs Zentimetern entspricht.
Bei einem Solarstromverstärkungsfaktor von etwa vier kann mit der vorliegenden Erfindung eine Siliziumersparnis von etwa 75 Prozent erzielt werden; bei höheren Verstärkungsfaktoren verbessert sich die Kostenreduktion.
Insgesamt beinhaltet die vorliegende Erfindung bei monokristallinen Photovoltaikmodulen ein Einsparpotential von etwa 25 Prozent bis etwa 35 Prozent (, wobei eine Effizienzerhöhung des Konzentrators durch Verbesserung des Arbeitspunkts des Photovoltaikmoduls hierbei noch gar nicht berücksichtigt ist). Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass die sphärische Form der Spiegelkalotte 10 als Kon- zentrator für die Photovoltaikmodule
- in einer Kostenreduktion für das photovoltaische Material,
- durch die Kaustik in einem Konzentratoraufbau ohne Notwendigkeit der Nachführung des konzentrierenden Elements, - in einem flachen Aufbau des Konzentrators (exemplarische Bauhöhe: etwa fünf Zentimeter) und
- in einer planaren Oberfläche resultiert.
Bezugszeichenliste
100 Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht (= Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2B, Fig. 3B, Fig. 4B)
100' Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht
(= Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3C) 100" Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht
(= Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3D)
200 Photovoltaikfeld oder Photovoltaikpanel
10 Hohlspiegel oder Spiegel, insbesondere Spiegelkörper oder Verspiegelung
12 Haltepunkt, insbesondere Befestigungsklotz (= Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A) 14 Haltepunkt, insbesondere Befestigungsnut (= Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 B)
20 photovoltaisches Absorbermittel, insbesondere Photovoltaikelement oder Solarzelle, zum Beispiel Solarzellenplatte oder Solarzellenriegel
22 lichtbrechendes Element, insbesondere optisch transparenter lichtbrechender Körper, zum Beispiel Linse oder Prisma 30 Kühleinrichtung oder Kühlmittel
40 Abdeckung, insbesondere (Ab-)Deckplatte oder Einspannfläche oder (Ober-)Fläche, zum Beispiel plana- re und/oder transparente (Ab-)Deckplatte oder Einspannfläche oder ebene geschlossene Oberfläche, wie etwa Acrylglasplatte oder Plexiglasplatte oder Polyesterplatte oder Polysterolplatte oder Polystyrolplatte
50 Hohlkörper oder Körper

Claims

Ansprüche:
1. Zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, vorgesehene Vorrichtung (100; 100'; 100"), aufweisend mindestens einen statisch montierten rinnen- oder wannenförmigen Spiegelkόrper (10), mittels dessen das einfallende Licht auf mindestens ein photovoltaisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf min- destens einen Solarzellenriegel, umlenkbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das photovoltaische Absorbermittel (20) in Bezug auf den Spiegelkörper (10) statisch montiert ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , gekennzeichnet durch mindestens ein dem photovoltaischen Absorbermit- tel (20) in Richtung des einfallenden Lichts und/oder in Richtung von reflektiertem Licht vorgelagertes lichtbrechendes, insbesondere optisch transparentes, Element (22), zum Beispiel durch mindestens eine Linse oder durch mindestens ein Prisma.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Nachführeinrichtung zum, insbesondere gemäß der Brennebenen- oder Brennflächen- oder Brennpunktwanderung erfolgenden,
Nachführen des photovoltaischen Absorbermittels (20), insbesondere innerhalb der Kalotte des Spiegelkörpers (10), zum Beispiel in Winkelschritten von etwa fünf Grad bis etwa zehn Grad.
4. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet - durch mindestens einen mit Gas, zum Beispiel mit Luft, oder mit Flüssigkeit, zum Beispiel mit Wasser, gefüllten Hohlkörper oder durch mindestens einen massiven, optisch transparenten Körper (50), wobei der Spiegelkörper (10) im Hohlkörper oder im Körper (50) integriert sein kann.
5. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkörper (10) im Querschnitt zumindest sphärisch und/oder zumindest annähernd parabolisch ist, insbesondere im Querschnitt in seinen äußeren Randbereichen von einer sphärischen Form in eine, zum Beispiel annähernd oder leicht, parabolische Form übergeht oder umgekehrt.
6. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Absorbermittel (20) in oder unterhalb der, insbesondere durch die Kaustik bewirkten, Brennebene oder Brennfläche des Spiegelkörpers (10) angeordnet ist.
7. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das photovol- taische Absorbermittel (20) zwischen der Brennebene oder Brennfläche des Spiegelkörpers (10) und dem
Scheitelpunkt des Spiegelkörpers (10) angeordnet ist.
8. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens eine, insbesondere im Körper oder im Hohlkörper (50) integrierte, Kühleinrichtung (30), zum Beispiel aus Alumi- nium, wobei das photovoltaische Absorbermittel (20) an der Kühleinrichtung (30), insbesondere im Wesentlichen parallel oder im Wesentlichen senkrecht oder unter mindestens einem beliebigen Winkel zur Brennebene oder Brennfläche des Spiegelkörpers (10), angeordnet sein kann.
9. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens eine den Spiegelkόrper (10) einschließlich des photovoltaischen Absorbermittels (20) abdeckende, optisch transparente Abdeckung (40), insbesondere Abdeckplatte oder Einspannfläche, zum Beispiel aus Acryl oder aus Glas.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (40) mit mindestens einer lichtumlenkenden Beschichtung, insbesondere mit mindestens einer lichtumlenkenden Folie und/oder mit mindestens einer lichtumlenkenden Schicht, versehen ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtumlenkende Beschichtung an der dem photovoltaischen Absorbermittel (20) zugewandten Seite der Abdeckung (40) und/oder an der vom photovoltaischen Absorbermittel (20) abgewandten Seite der Abdeckung (40) oder an der Oberseite des massiven, optisch transparenten Körpers (50) angeordnet ist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 und gemäß mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (30) an der dem Spiegelkörper (10) zugewandten Unterseite der Abdeckung (40) und/oder - am Spiegelkörper (10), insbesondere im Scheitelpunkt des Spiegelkörpers (10), zum Beispiel am Boden des Spiegelkörpers (10), angeordnet ist.
13. Photovoltaikfeld oder Photovoltaikpanel (200), aufweisend mehrere Vorrichtungen (100; 100'; 100") gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Verfahren zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, mittels des Kaustikef- fekts mindestens eines statisch montierten rinnen- oder wannenförmigen Spiegelkörpers (10), durch den das einfallende Licht auf mindestens ein in Bezug auf den Spiegelkörper (10) statisch montiertes photovol- taisches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel, umgelenkt wird.
15. Verwendung mindestens einer Vorrichtung (100; 100'; 100") gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder mindestens eines Photovoltaikfelds oder Photovoltaikpanels (200) gemäß Anspruch 13 zum Konzentrieren von einfallendem Licht, insbesondere von Sonnenlicht, auf mindestens ein photovoltai- sches Absorbermittel (20), insbesondere auf mindestens eine Solarzelle, zum Beispiel auf mindestens eine Solarzellenplatte oder auf mindestens einen Solarzellenriegel.
PCT/EP2009/055509 2008-05-07 2009-05-07 Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht Ceased WO2009135892A2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09742110A EP2294628B1 (de) 2008-05-07 2009-05-07 Vorrichtung und Verfahren zum Konzentrieren von einfallendem Licht
DE112009001122T DE112009001122A5 (de) 2008-05-07 2009-05-07 Vorrichtung und Verfahren zum Konzentrieren von einfallendem Licht

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008001640.3 2008-05-07
DE102008001640A DE102008001640A1 (de) 2008-05-07 2008-05-07 Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht
DE102009002473.5 2009-04-19
DE102009002473 2009-04-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2009135892A2 true WO2009135892A2 (de) 2009-11-12
WO2009135892A3 WO2009135892A3 (de) 2010-07-22

Family

ID=41265072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/055509 Ceased WO2009135892A2 (de) 2008-05-07 2009-05-07 Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2294628B1 (de)
DE (2) DE112009001122A5 (de)
WO (1) WO2009135892A2 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012028625A2 (de) 2010-09-01 2012-03-08 Kaustik-Solar Gmbh Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht
WO2012101237A2 (de) 2011-01-27 2012-08-02 Kaustik-Solar Gmbh Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht
WO2013095120A1 (en) 2011-12-14 2013-06-27 Senter Technum Solar concentrator system
RU2488915C2 (ru) * 2011-06-07 2013-07-27 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Солнечный концентраторный модуль (варианты)
WO2013183043A1 (en) * 2012-06-08 2013-12-12 Modievsky Gregory Wide angle optical system
RU2686123C1 (ru) * 2018-06-19 2019-04-24 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Фотоэлектрический модуль

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8921839B2 (en) 2013-03-12 2014-12-30 Sharp Laboratories Of America, Inc. Light emitting device with spherical back mirror
DE202017003343U1 (de) 2017-06-26 2017-08-18 Peter Draheim Transparenz von nachführungsfreien Photovoltaik-Konzentrator-Modulen
DE202017005416U1 (de) 2017-10-19 2017-11-20 Peter Draheim Konzentratoranordnung mit Spiegelsegmenten
DE202017006357U1 (de) 2017-12-09 2018-01-24 Peter Draheim Einzelkonzentratoren für einen modularen Photovoltaik-Aufbau
DE202018005163U1 (de) 2018-11-07 2018-12-20 Peter Draheim Multifunktionale Solar-Fassaden-Elemente
DE202019001239U1 (de) 2019-03-14 2019-05-09 Peter Draheim Multifunktionale Solar-Fassaden-Elemente II
DE202019003390U1 (de) 2019-08-14 2019-09-13 Peter Draheim Multifunktionale Solar - Elemente

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4131485A (en) 1977-08-08 1978-12-26 Motorola, Inc. Solar energy collector and concentrator
EP0116521A2 (de) 1983-01-17 1984-08-22 Maniscalco Gaspare Solarmodul für die Umwandlung einer im wesentlichen monochromatischen Strahlung in elektrischer Energie mit hohem Wirkungsgrad mit Hilfe von photovoltaischen Zellen
EP0200496A2 (de) 1985-04-26 1986-11-05 The Marconi Company Limited Anordnung von Solarzellen
DE20220390U1 (de) 2002-01-31 2003-06-05 Ahland, Andreas, Dr., 48308 Senden Semi-statischer Konzentrator
US20050046977A1 (en) 2003-09-02 2005-03-03 Eli Shifman Solar energy utilization unit and solar energy utilization system
EP1715260A2 (de) 2005-04-19 2006-10-25 Palo Alto Research Center Incorporated Konzentrierender Sonnenkollektor mit optischen festen Körpern

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4115149A (en) 1976-03-12 1978-09-19 Varian Associates, Inc. Concentrator arrangement for photovoltaic cell
US4173968A (en) 1976-05-17 1979-11-13 Steward Willis G Receiver for solar energy
US4148297A (en) * 1976-07-08 1979-04-10 Sherman Benjamin F Jr Collector of direct dispersed and reflected waves
US4191164A (en) 1976-10-20 1980-03-04 Kelly Donald A Dual conversion steam and electric solar power system
US4137902A (en) 1977-06-13 1979-02-06 Bunch Jesse C Energy concentrator system
DE3107888A1 (de) 1981-03-02 1982-09-16 Imchemie Kunststoff Gmbh, 5632 Wermelskirchen Solarkonzentrator
US4388481A (en) 1981-07-20 1983-06-14 Alpha Solarco Inc. Concentrating photovoltaic solar collector
WO1983001292A1 (en) 1981-10-01 1983-04-14 Tor Ask Apparatus for collecting solar energy
DE3741485A1 (de) 1987-12-08 1989-06-22 Fraunhofer Ges Forschung Solarmodul
JPH04506249A (ja) 1989-03-01 1992-10-29 ボミン　ゾラール　ゲゼルシャフト　ミット　ベシュレンクテル　ハフツング　ウント　コンパニー　コマンディトゲゼルシャフト ソーラー集光器―装置
US5062899A (en) 1990-03-30 1991-11-05 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Wide acceptance angle, high concentration ratio, optical collector
US5344496A (en) 1992-11-16 1994-09-06 General Dynamics Corporation, Space Systems Division Lightweight solar concentrator cell array
AUPN083295A0 (en) 1995-01-31 1995-02-23 Solar Raps Pty Ltd Solar flux enhancer
DE19508071A1 (de) 1995-02-27 1996-08-29 Horst Voigt Solarzelle nach dem Prinzip der "Thermovoltaik" in einer spiegelnden Hohlrinne
WO1997000408A2 (de) 1995-06-14 1997-01-03 Harald Ries Sonnenkollektor in rinnenausführung
US20040248051A1 (en) 2003-06-04 2004-12-09 Romijn Maarten Martinus Method and apparatus for achieving worldwide reduction of carbon dioxide emissions and deforestation
US20080047605A1 (en) * 2005-07-28 2008-02-28 Regents Of The University Of California Multi-junction solar cells with a homogenizer system and coupled non-imaging light concentrator

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4131485A (en) 1977-08-08 1978-12-26 Motorola, Inc. Solar energy collector and concentrator
EP0116521A2 (de) 1983-01-17 1984-08-22 Maniscalco Gaspare Solarmodul für die Umwandlung einer im wesentlichen monochromatischen Strahlung in elektrischer Energie mit hohem Wirkungsgrad mit Hilfe von photovoltaischen Zellen
EP0200496A2 (de) 1985-04-26 1986-11-05 The Marconi Company Limited Anordnung von Solarzellen
DE20220390U1 (de) 2002-01-31 2003-06-05 Ahland, Andreas, Dr., 48308 Senden Semi-statischer Konzentrator
US20050046977A1 (en) 2003-09-02 2005-03-03 Eli Shifman Solar energy utilization unit and solar energy utilization system
EP1715260A2 (de) 2005-04-19 2006-10-25 Palo Alto Research Center Incorporated Konzentrierender Sonnenkollektor mit optischen festen Körpern

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012028625A2 (de) 2010-09-01 2012-03-08 Kaustik-Solar Gmbh Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht
WO2012028625A3 (de) * 2010-09-01 2012-08-30 Kaustik-Solar Gmbh Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht
WO2012101237A2 (de) 2011-01-27 2012-08-02 Kaustik-Solar Gmbh Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht
WO2012101237A3 (de) * 2011-01-27 2013-01-24 Kaustik-Solar Gmbh Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht
DE202012013484U1 (de) 2011-01-27 2017-03-31 Peter Draheim Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht
RU2488915C2 (ru) * 2011-06-07 2013-07-27 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Солнечный концентраторный модуль (варианты)
WO2013095120A1 (en) 2011-12-14 2013-06-27 Senter Technum Solar concentrator system
WO2013183043A1 (en) * 2012-06-08 2013-12-12 Modievsky Gregory Wide angle optical system
RU2686123C1 (ru) * 2018-06-19 2019-04-24 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Фотоэлектрический модуль

Also Published As

Publication number Publication date
DE202009012152U1 (de) 2010-09-16
WO2009135892A3 (de) 2010-07-22
DE112009001122A5 (de) 2011-03-24
EP2294628B1 (de) 2012-10-03
EP2294628A2 (de) 2011-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2294628B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Konzentrieren von einfallendem Licht
DE102009008170B4 (de) Verfahren und System zur Lichtkollektion und Lichtenergie-Umwandlungsgerät
EP1987549B1 (de) Solarmodulsystem vom Parabolkonzentratortyp
DE10296508T5 (de) Photovoltaisches Anordnungsmodul-Design für solar-elektrische Energieerzeugungssysteme
DE2629641A1 (de) Vorrichtung zur umwandlung von lichtenergie in waermeenergie durch lichtkonzentration mit hilfe von fluoreszenzschichten
DE202011110117U1 (de) Konzentrierendes evakuiertes Photovoltaik-Verglasungsmodul
DE102011050332A9 (de) Energiewandlerkonzentratorsystem
DE102004054755B4 (de) Vorrichtung zur Konzentration von Licht, insbesondere von Sonnenlicht
DE102007058971A1 (de) Photovoltaik-Vorrichtung und deren Verwendung
DE102009055432A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Konzentrieren von einfallendem Licht
EP2263049A2 (de) Konzentrator für solarstrahlung und dessen verwendung
DE102008001640A1 (de) Vorrichtung zum Konzentrieren von einfallendem Licht
DE19954954A1 (de) Photovoltaische Wandlereinrichtung
DE20220390U1 (de) Semi-statischer Konzentrator
EP2489079A2 (de) Vorrichtung zur konzentrierung und umwandlung von solarenergie
DE102016006865B3 (de) Sonnenkollektormodul mit einer lichtleitenden Röhre
EP2477232B1 (de) Solarmodul
DE19956878A1 (de) Photovoltaische Wandlereinrichtung
DE10328321A1 (de) Multifunktionaler Prismenstumpfkeil (PSK) zur solaren Strahlungskonzentration
DE102012024686A1 (de) Zum Teil transparenter Sonnenkollektor
WO2012028625A2 (de) Vorrichtung und verfahren zum konzentrieren von einfallendem licht
EP4182974B1 (de) Photovoltaikbauteil
DE102011101029A1 (de) Sonnenlichtenergiemodul
DE10229144A1 (de) Multifunktionaler Prismenstumpfeil (PSK) zur solaren Strahlungskonzentration
WO2006027188A1 (de) Solarkollektor mit transluzenter abdeckung

Legal Events

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

Ref document number: 2009742110

Country of ref document: EP

REF Corresponds to

Ref document number: 112009001122

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20110324

Kind code of ref document: P

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112009001122

Country of ref document: DE

Effective date: 20110324