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Die
Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung von solarer elektromagnetischer
Strahlungsenergie, also von Licht, Wärme- und UV-Strahlung,
in elektrische Energie unter gleichzeitiger Nutzung von Wärmeenergie.
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Bekannte
Anlagen nach dem Stand der Technik wandeln solare Energie entweder
in Wärme- oder in elektrische Energie. Solaranlagen, die
zur Umwandlung der Solarenergie in elektrische Energie dienen, verwenden
Halbleiter-Solarzellen, die zumeist aus Silizium bestehen. Es sind
weiterhin auch Anlagen bekannt, welche andere Halbleitermaterialien
verwenden, wie etwa die sogenannten CIS-Solarzellen der Firma Würth
Solar, die aus Kupfer-Indium-Diselenid bestehen. Diese Solaranlagen
bestehen zumeist aus sogenannten Solarmodulen, welche neben- und übereinander
angeordnet werden und entweder mit einer konstanten Neigung fest
montiert werden oder in seiner Gesamtheit der Sonne nachgeführt
werden.
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Nachteilig
ist bei diesen Anlagen die Verwendung von vergleichsweise teuren
Solarzellen, die zumeist aus Silizium-Halbleitermaterial bestehen.
Weiterhin wird lediglich ein Teil der eingestrahlten solaren Energie
von weniger als 20% genutzt. Eine Nachführung der Module
ist aufwendig und teuer.
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Weitere
Anlagen zur Wärmegewinnung durch Sonneneinstrahlung sind
ebenfalls in Modulbauweise beispielsweise auf einem Dach fest montiert.
Weiterhin existieren Röhrenkollektoren, welche nebeneinander
fest montiert werden und evakuiert sind, um die Abstrahlung der
von der solaren Strahlung in Wärmeenergie umgewandelten
Energie des Empfängers zu vermindern. Diese Anlagen dienen lediglich
der Wärmegewinnung.
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Weitere
Anlagen, die zumeist in südlichen Ländern Einsatz
finden, verwenden Kollektoren, entweder in Form von Paraboloiden,
von parabolischen Rinnen oder auch von Fresnel-Reflektoren, welche die
solare Strahlungsenergie auf eine Rinne oder einen Brennfleck fokussieren
und die Wärmeenergie nutzen und in einem folgenden Prozessschritt
in elektrische Energie oder durch Adhäsion in Kälte
für Klimaanlagen umwandeln. Diese Anlagen sind zumeist in
warmen Ländern in einer Großbauweise vorhanden
und benötigen eine aufwendige Nachführung. Darüber
hinaus sind die Kollektoren dem Wind und Wetter ausgesetzt und müssen
daher stabil aufgebaut sein und gereinigt werden.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine einfache und effektive
Solaranlage anzugeben, welche vergleichsweise preiswert in der Herstellung
ist sowie auch in unseren Breitengraden effektiv und wirtschaftlich
betrieben werden kann und welche neben elektrischer Energie zugleich
Wärmeenergie liefert.
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Diese
Solaranlage ist gegeben durch die unabhängigen Ansprüche
und besteht aus einem oder mehreren vorzugsweise fest montierten
Modulen, welche jeweils eine Vielzahl von einzelnen Reflektoren
enthalten, welche das Sonnenlicht in Richtung auf einen Absorber
konzentrieren und welche einachsig dem sich ändernden Sonnenstand
nachgestellt werden.
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Dabei
ist die Summe der Fläche der Reflektoren deutlich größer
als die Absorberfläche, so dass man vorzugsweise Konzentrationsfaktoren
von zwischen 5 und 20 erhält.
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Die
Reflektoren sind parallel zueinander angeordnet und weisen eine
längliche Ausdehnung sowie in derselben Richtung eine Drehachse
auf, wobei letztere bevorzugt in einer Ebene liegt, welche definiert
ist durch die Nord-Süd-Richtung sowie durch ein senkrechtes
Lot. Dabei wird erfindungsgemäß die Winkelstellung
sämtlicher Reflektoren eines Moduls durch einen einzigen
linearen oder rotatorischen motorischen Antrieb gemeinsam verstellt,
um den sich zeitlich ändernden Sonnenstand zu kompensieren.
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Diese
Reflektoren sind zum Schutz vor Wind und Wetter bevorzugt in einer
Modulbauweise in einzelnen Kästen eingebaut, welche zur
Sonnenseite mit einer Solarglasplatte oder mit transparentem Kunststoffmaterial
abgedeckt sind. Diese Module sind in der Regel fest mit einem Untergrund,
etwa einem Dach, verbunden und nebeneinander bzw. übereinander
vorzugsweise fluchtend angeordnet. Es ist dabei nicht notwendig,
dass die Module als Gesamtheit der Sonne nachgeführt werden.
Erfindungsgemäß weist die Solaranlage eine einachsige
Nachführung auf, wobei jedoch nicht das Modul als ganzes, sondern
lediglich die einzelnen Reflektorelemente innerhalb des Moduls der
Sonne nachgeführt werden. Daher ist es insbesondere nicht
notwendig, ein Dach oder ähnliches mit einer geeigneten
Neigung zu verwenden, sondern die die Reflektoren enthaltenden Module
der erfindungsgemäßen Solaranlage können insbesondere
auch horizontal etwa auf einem Flachdach oder sogar an einer senkrechten
Wand befestigt werden.
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Die
Reflektoren, die innerhalb eines Moduls angeordnet sind, weisen
eine längliche Ausdehnung auf und sind im Schnitt senkrecht
dazu entweder konkav oder vorzugsweise plan gekrümmt, so
dass sie eine unendliche bzw. positive Brennweite aufweisen. Dabei
sind sämtliche Reflektoren eines Moduls derart unterschiedlich
seitlich geneigt, dass das parallel einfallende Sonnenlicht auf
einen oder mehrere schmale Streifen auf den Absorber fokussiert
bzw. konzentriert wird.
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Der
Absorber ist vorzugsweise oberhalb der Mitte der Reflektoren positioniert.
Es kann dabei vorgesehen werden, den Absorber in einem separaten Gehäuse,
etwa in einem transparenten Empfängerrohr anzuordnen, das
in einem Abstand zum Modul, das die Reflektoren enthält,
beabstandet angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Absorber
jedoch ebenfalls innerhalb des die Reflektoren enthaltenen Moduls
angeordnet, so dass eine einteilige Bauform entsteht. Damit die
nebeneinander angeordneten Reflektoren sich dabei nicht gegenseitig
abschatten, sind diese nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordnet,
d. h. die Lagerstellen der Reflektoren liegen nicht auf einer Linie,
sondern vorzugsweise auf einem Paraboloid oder auf einer W-förmigen
Kurve, wobei der Absorber in der Modulmitte oberhalb der Reflektoren
und parallel zu den Reflektoren angeordnet ist.
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Der
Absorber weist vorzugsweise ein zu den Reflektoren (also nicht zur
Sonne) hinweisendes Solarzellen-Paket auf, welches vorzugsweise
eine längliche Ausdehnung entsprechend des Fokussions-Streifens
der Reflektoren aufweist und etwa durch eine lineare Aneinanderreihung
von Solarzellen, etwa in Form von Siliziumwafern gegeben ist. Damit
beträgt die Breite des Fokussions-Streifens bevorzugt weniger
als eine Waferbreite, d. h. man verwendet bevorzugt geteilte Silizium-Wafer,
um hohe Ströme zu vermeiden. Besonders bevorzugt besteht
der Absorber aus zwei Reihen von Solarzellen, die nebeneinander
angeordnet werden und sich parallel zu den Reflektoren erstrecken.
Dabei beleuchten diejenigen Reflektoren, die sich auf einer Seite
des Absorbers befinden, jeweils eine Reihe von Solarzellen. Vorzugsweise
sind die beiden Reihen von Solarzellen nicht in einer Ebene angeordnet, sondern
zueinander um einen Winkel δ von vorzugsweise zwischen
60 und 120 Grad abgewinkelt, damit der Auftreffwinkel des reflektierten
Sonnenlichtes auf die Solarzellen möglichst senkrecht ist.
Die Empfänger-Solarzellen sind bevorzugt rückseitig
elektrisch kontaktiert, um die zu den Reflektoren hinweisende Oberfläche
nicht partiell abzuschatten.
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Da
vorzugsweise plane Reflektoren verwendet werden, ist die Breite
der einzelnen Reflektoren daher vorzugsweise weitgehend identisch
mit der Breite der jeweiligen Reihe der Empfänger-Solarzellen.
Bei parabolisch konkav gekrümmten Oberflächen
der Reflektoren ist es möglich, dass die Breite der Reflektoren
größer ist als die Breite der Solarzellen.
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Die
Empfängerfläche selbst kann ebenfalls bevorzugt
plan oder auch konvex gekrümmt sein, um ein weitgehend
senkechtes Auftreffen des reflektierten Lichtes zu ermöglichen,
was den Wirkungsgrad erhöht. Bevorzugt werden hocheffektive
monokristalline Silizium-Solarzellen verwendet, jedoch kann auch
polykristallines oder amorphes Silizium Verwendung finden oder es
können andere, insbesondere hocheffektive Germanium-basierte
Halbleiter-Substrate eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden
rückseiten-kontaktierte Silizium-Solarzellen verwendet,
um eine Abschattung der Solarzellen auf der Vorderseite zu vermeiden,
zumal die Kontaktierung erhöhte Ströme abführen
muss, die aufgrund der Konzentration des Sonnenlichtes entstehen.
Als sehr gut geeignet haben sich in diesem Zusammenhang rückseiten-kontaktierte,
geteilte Solarzellen vom Typ B50M (3rd cut der 5-Zoll großen
A-300 Wafer) der Firma SunPower Corp. erwiesen. Mit diesen Typen kann
eine bis zu 10-fache Konzentration des Sonnenlichtes vorgenommen
werden. Dabei entstehen Ströme bis zu 18 A.
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Auf
der Rückseite der streifenförmig angeordneten
Empfänger-Solarzellen befindet sich eine Kühleinrichtung
zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades der Solarzellen
sowie zur zusätzlichen Nutzung der absorbierten Wärmeenergie.
Diese Kühleinrichtung besteht vorzugsweise aus einem Aluminium-
oder Kupfersubstrat, etwa aus einem Blech mit einem oder mehreren
darin oder daran angeordneten, etwa angeschweißten Kanälen
zur Durchführung eines Kühlmediums. Dieses kann Wasser
oder ein anderes geeignetes Kühlmedium zum Abtransport
der Wärmeenergie sein. Die Solarzellen mitsamt der Kühleinrichtung
sind entweder separat in einem Glasrohr oder besonders bevorzugt
innerhalb des die Reflektoren enthaltenen Moduls angeordnet, das
zusätzlich evakuiert oder mit einem geeigneten Füllgas
gefüllt sein kann. Dieses Füllgas verhindert einerseits
eine Betauung der Innenseite des Empfängerrohrs mit Wasser
und vermindert andererseits eine Wärmeabstrahlung infolge
von Konvektion. Um innerhalb des Moduls 3 einen verminderten
Luftdruck herzustellen, und somit eine Wärme-Dissipation
sowie auch eine Betauung der Modulinnenseite mit Wasserdampf zu
verringern, wird vorzugsweise ein Rückschlagventil in die
Gehäusewand montiert.
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Ist
der Absorber außerhalb des Moduls innerhalb einer Empfängerröhre
angeordnet, so werden bevorzugt für solare Wärme-Kollektoranlagen bekannte
doppelwandige und evakuierte Glasröhren nach dem Prinzip
einer Thermoskanne verwendet, wie sie etwa von der Schott AG angeboten
werden. Jedoch können auch andere Absorber-Ummantelungen
verwendet werden, solange die zu den Reflektoren hingewandte Seite
transparent ist, wie etwa einfache Glasröhren.
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Die
gewonnene Wärme kann insbesondere genutzt werden zur Bereitstellung
von Warmwasser bzw. (Fußboden-)Heizungswasser oder für
Adhäsions-Kältemaschinen, etwa für Klimaanlagen.
Weiterhin kann die Wärmeenergie bei hinreichend großen Kollektorflächen
anschließend einem Stirlingmotor mit gekoppeltem Generator
zur Umwandlung in elektrische Energie zugeführt werden.
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Die
Regelung der einachsigen Nachführung der Reflektoren zum
Sonnenstand kann entweder über einen Sonnenstands-Sensor
erfolgen, der bevorzugt aus einen Empfänger aus lichtempfindlichem Halbleitermaterial
besteht, wie beispielsweise ein lineares Zeilensensorarray, das
insbesondere in einem Substrat integriert ist, oder ein Positionssensor, etwa
ein PSD (optical Position-Sensitive Detector). Vor diesem lichtempfindlichen
Empfänger ist bevorzugt eine Zylinderlinse angeordnet,
deren längliche Ausrichtung parallel zur Drehachse der
Reflektoren ausgerichtet ist.
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Eine
weitere einfache Möglichkeit einer Nachführung
ist etwa beschrieben in dem Artikel „Schaltungen
zur Nachführung von Kollektoren und Solarzellenträgern"
von Volker Heinzel und Joachim Schröder in Sonnenenergie
Nr. 2, 1986, Seiten 23–24. Herbei werden Photowiderstände
verwendet, deren Oberflächen einen Winkel zueinander einschließen.
Eine weitere Möglichkeit der Nachführung der Reflektoren
besteht in einer zeitgesteuerten Nachführung der Reflektoren.
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Da
aufgrund der Reflektoren das Licht etwa um einen Faktor 5–20
auf die Empfänger-Solarzellen konzentriert wird, wird eine
entsprechend geringere Solarzellen-Fläche benötigt, wodurch
die erfindungsgemäße Solaranlage somit bei erheblich
geringeren Kosten einen Gesamtwirkungsgrad (elektrisch + Wärme)
von deutlich mehr als 50% aufweist.
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Im
folgenden werden die Zeichnungsfiguren der Erfindung erläutert:
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Die 1 zeigt
schematisch eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen
Solaranlage,
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die 2a und 2b zeigen
jeweils einen Schnitt durch eine erste Ausführung sowie
einer zweiten Ausführung des Empfängers,
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die 3 zeigt
eine Aufsicht auf die Anordnung der Solarzellen auf der Empfängerfläche,
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die 4a und 4b zeigen
jeweils unterschiedliche Ausführungen der Reflektoren,
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die 5 zeigt
die Seitenansicht eines Reflektors gemäß der 4b,
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die 6 zeigt
eine seitliche Ansicht auf eine Anordnung mehrerer Reflektoren mit
einer Nachführeinrichtung in zwei unterschiedlichen Neigungen,
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die 7 zeigt
den seitlichen Schnitt durch einen Sonnenstands-Sensor,
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die 8 zeigt
eine Regelungseinrichtung zur Nachführung der Reflektoren,
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die 9 zeigt
schematisch die Anordnung der Komponenten der Solaranlage bei einer
ebenen Montage,
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die 10 zeigt
ein zweiteiliges Ausführungsbeispiel der Erfindung mit
einem separaten Empfängerrohr in einer perspektivischen
Aufsicht,
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die 11 zeigt
einen seitlichen Schnitt derselben Ausführungsform,
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die 12 zeigt
einen seitlichen Schnitt durch das Empfängerrohr mitsamt
dem Absorber,
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die 13 zeigt
die Ansteuerung der Reflektoren durch einen Linearmotor,
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die 14 zeigt
eine seitliche Ansicht eines einteiligen Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
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die 15 zeigt
eine perspektivische Ansicht desselben Ausführungsbeispiels,
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in
der 16 erkennt man den Antrieb der Reflektoren durch
einen Linearmotor,
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die 17 stellt
die empfangene Lichtleistung in Abhängigkeit vom Sonnenstand
für drei unterschiedliche Abstände zwischen dem
Absorber und den Reflektoren dar,
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die 18 zeigt
eine seitliche Ansicht eines weiteren einteiligen Ausführungsbeispiels,
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die 19 zeigt
eine perspektivische Ansicht desselben Ausführungsbeispiels
und
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die 20 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt aus der vorangehenden
Ansicht.
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In
der 1 ist eine seitliche Schnittansicht der erfindungsgemäßen
Solaranlage 1 dargestellt. Mehrere Reflektoren 2 sind
in einem kastenförmigen Modul 3 angeordnet, welches
in Richtung zur Sonne hinweisend ein Solarglas 4 als transparente
Abdeckung aufweist, die etwa aus Glas oder Kunststoff besteht. Die
Reflektoren sind in Aufsicht rechteckig länglich ausgebildet,
wobei sie senkrecht zu ihrer Längsterstreckung einen planen
Querschnitt aufweisen. Die Länge der Reflektoren entspricht
im wesentlichen der Modullänge, also beispielsweise 0,5–2
Meter, während die Breite der Reflektoren deutlich geringer
ist und etwa 4 cm entsprechend der Breite der Solarzellen beträgt.
Senkrecht oberhalb der Mitte des Moduls ist ein Empfängerrohr 5 angeordnet,
welches parallel zur Längsterstreckung der Reflektoren 2 verläuft
und in welchem sich der Absorber 12 befindet. Die Reflektoren 2 weisen
eine Drehachse mit Drehpunkten 22 auf, wobei die Drehachse
parallel zum Empfängerrohr 5 verläuft.
Das Empfängerrohr 5 weist einen Absorber 12 mit
einer zu den Reflektoren 2 hinweisenden Empfängerfläche 10 auf,
auf der Solarzellen 11 zur Umwandlung eines Teils der solaren Energie
in elektrische Energie angeordnet sind. Auf der Rückseite
der Solarzellen 11 ist ein Kühlkörper 14 angeordnet,
welcher vorzugsweise aus einem Aluminium- oder Kupfersubstrat mit
innenseitig angeordneten Kühlkanälen 16 besteht.
Selbstverständlich ist es möglich, lediglich einen
oder auch mehr als zwei Kühlkanäle zu verwenden.
Weiterhin können die Kühlkanäle auf der
Rückseite des Kupfersubstrates angeordnet sein.
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Die
Reflektoren 2 sind nun derart seitlich versetzt montiert,
dass bei senkrecht einfallendem Sonnenlicht 6 das von den
Reflektoren 2 reflektierte Licht 7 auf die Empfängerfläche 10 innerhalb
des Empfängerrohres 5 gelangt. Bei seitlich einfallendem
Licht 8 werden sämtliche Reflektoren 2 durch
eine Drehbewegung um ihre Drehachse dem Sonnenstand nachgeführt,
so dass das reflektierte Licht 7 stets auf die Empfängerfläche 10 des
Absorbers 12 gelangt. Bei einer Veränderung des
Sonnenstandes um einen Winkel α werden sämtliche
Reflektoren 2 um einen Winkel α/2 verdreht und
nehmen somit eine Position 2' ein.
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Die
auf der Empfängerfläche 10 des Absorbers 12 angeordneten
Solarzellen 11 wandeln das empfangene Sonnenlicht teilweise
in elektrische Energie um. Die dabei entstehende Wärmeenergie
wird durch ein Kühlmedium abgeführt, welches durch
die Kühlkanäle 16 des Kühlkörpers 14 geleitet
wird, der rückseitig mit den Solarzellen 11 verbunden
ist. Durch die Kühlung der Solarzellen 11 wird
nicht nur der Wirkungsgrad der Umwandlung der empfangenen Sonnenenergie
in elektrische Energie erhöht, sondern die abgeführte
Wärme kann weiterer Nutzung zugeführt werden.
So ist es beispielsweise möglich, mit der abgeführten
Wärmeenergie Brauchwasser zu erwärmen oder diese
zu Heizzwecken von Innenräumen zu verwenden. Weitere nachfolgende Prozesse
können eine Adhäsions-Kältegewinnung vorsehen
oder etwa den Betrieb eines Stirlingmotors mit angeschlossenem Generator
zur Gewinnung von elektrischer Energie.
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Die 2a zeigt
einen Schnitt durch ein Empfängerrohr 5, welches
die bereits beschriebene Empfängerfläche 10 aufweist,
auf welcher die Solarzellen 11 angeordnet sind. Das Empfängerrohr 5 ist etwa
nach Art einer Thermoskanne doppelwandig ausgebildet und im Zwischenbereich
evakuiert. In der 2b ist eine weitere Ausführung
der Erfindung dargestellt: Auf der konvex gekrümmten Empfängerfläche 10 sind
flexible Solarzellen 11 angeordnet. Vorzugsweise wird die
linke Seite der Solarzellen 11 von links innerhalb des
Moduls angeordneten Reflektoren beleuchtet, die Mitte von mittig
angeordneten und die rechte Seite entsprechend von rechts angeordneten
Reflektoren. Hierdurch wird erreicht, dass das reflektierte Sonnenlicht
weitgehend senkrecht auf die Oberfläche der Solarzellen 11 auftrifft,
wodurch der Wirkungsgrad der Solarzellen zunimmt. Die Form des Kühlkörpers 12 passt
sich entsprechend der konvexen Form der Empfängerfläche 10 an.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind auf der
rechteckigen Empfängerfläche 10 eine
Reihe 11a von mehreren Silizium-Wafern 11 nebeneinander
angeordnet, wie in der 3 erkennbar ist. Besonders bevorzugt
werden evtl. mehrfach zersägte (geteilte) Wafer verwendet,
deren Länge in Richtung der Anreihungsrichtung größer
ist als deren Breite quer dazu. Bevorzugt entspricht die Länge
der Solarzellen daher der Länge eines Standard-Wafers, also
etwa 4, 5 oder 6 Zoll und die Breite der Solarzellen beträgt
bevorzugt 1/2 bis 1/6 der Länge, also etwa 2–8
cm. Durch die Aneinanderreihung mehrerer Solarzellen 11 zu
einer oder mehreren Reihen 11a, 11b von Solarzellen 11 entsteht
eine Länge der Empfängerfläche 10,
die etwa genauso lang ist wie die Reflektoren und somit ein Vielfaches
der Länge der einzelnen Solarzellen 11 beträgt.
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In
der 4b ist ein planer Reflektor 2 dargestellt,
welcher vorzugsweise mittig auf seiner Unterseite eine längstverlaufende
Halterung 18 zur Stabilisierung aufweist. Hierdurch kann
der Reflektor selbst aus dünnwandigem Material bestehen.
Bevorzugt wird Aluminium oder Edelstahl-Blech als Reflektormaterial
verwendet, welches auf seiner der Sonne zugewandten Seite bevorzugt
verspiegelt ausgebildet ist. An den Enden der Halterung 18 sind
Aufnahmen für Wellen vorgesehen zur axialen Halterung sowie
zur Verdrehung des Reflektors 2 um eine Drehachse 21,
die in Richtung der Halterung 18 verläuft.
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In
der 4a ist ein Reflektor 2' mit konkaver Oberfläche
zur Fokussierung des Sonnenlichtes dargestellt. Bevorzugt ist die
Form eine parabolische Rinne, d. h. die Oberfläche des
Reflektors 2' ist in allen Schnitten senkrecht zur Drehachse 21 identisch parabolisch.
Die Symmetrieachse der parabolischen Rinne ist dabei bevorzugt parallel
zur Drehachse des Reflektors 2'. Bevorzugt ist das Empfängerrohr 5 innerhalb
der Brennweite des Reflektors 2' angeordnet.
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In
der 5 ist eine Seitenansicht eines planen Reflektors 2 gemäß der 4b dargestellt.
Bevorzugt ist dieser endseitig durch Kugellager 19 drehbar
gelagert, deren Innenringe mit einer Welle 27 als Fortführung
der Halterung 18 und deren Außenringe mit der
Innenwandung des Moduls 3 verbunden sind. Ohne Einschränkung
sind jedoch auch andere Lagerungen, wie etwa Gleitlager oder einfache
Wellenaufnahmen verwendbar.
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Erfindungsgemäß nutzen
sämtliche Reflektoren 2 eines Moduls 3 eine
einzige gemeinsame Nachführeinrichtung 20. Zur
Nachführung der Reflektoren 2 an den sich zeitlich
verändernden Sonnenstand ist mit der Welle 27 bzw.
der Halterung 18 bzw. mit dem Reflektor 2, 2' ein
Nachführstift 23 verdrehfest verbunden, welcher
wiederum mit einer Nachführstange 25 durch ein
Drehgelenk 24 verbunden ist. Wie in der 6 erkennbar
ist, werden sämtliche Reflektoren 2 eines Moduls
vermittels entsprechender Nachführstifte 23 mit
der Nachführstange 25 verbunden und sind jeweils
um Drehpunkte 22 drehbar gelagert. Die Nachführstifte 23 weisen
dabei bevorzugt dieselbe Länge auf und verlaufen parallel
zueinander. Die Nachführstange 25 ist mit einem
Linearmotor verbunden und ist linear beweglich gelagert. Die lineare
Bewegung erfolgt dabei in einer zur Drehachse 21 der Reflektoren 2 senkrechten
Richtung. Der Linearmotor besteht vorzugsweise aus einem Schrittmotor 26,
der eine Linearspindel 28 antreibt. Diese Spindel ist mit
der Nachführstange 25 durch Drehgelenke 24 verbunden.
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In
der oberen Ansicht der 6 ist die Winkelposition der
Reflektoren 2 eines Moduls 3 bei senkrecht einfallendem
Sonnenlicht dargestellt. Sämtliche Reflektoren lenken das
Sonnenlicht derart ab, dass das gesamte reflektierte Licht auf einen schmalen
rechteckigen Streifen auf den Absorber 12 oberhalb des
mittigen Reflektors abgelenkt wird. Es ist erkennbar, dass die unterschiedlichen
Reflektoren 2 eine unterschiedliche Winkelneigung aufweisen und
dass die Nachführstifte 23 in unterschiedlichen Winkelpositionen
mit den Reflektoren 2 verbunden sind. Bevorzugt stehen
die Nachführstifte 23 in dieser Position zur Reflexion
der senkrecht einfallenden Sonnenstrahlung senkrecht zur Nachführstange 25. Die
Breite der Reflektoren 2 quer zu ihrer Längsterstreckung
entspricht dabei in etwa dem Mittenabstand, um möglichst
das gesamte Licht zu reflektieren.
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In
der 6 ist in der unteren Ansicht gegenüber
der oberen Ansicht die Nachführstange 25 durch
einen Vortrieb 29 der Spindel 28 in Richtung des
Pfeiles linear verschoben, wodurch die Winkelneigung sämtlicher
Reflektoren 2 um einen gleichen Winkel verändert
wurde. Hierdurch ist es möglich, sämtliche Reflektoren 2 durch
lediglich einen einzigen Antrieb gleichzeitig und gemeinsam zu verstellen und
somit dem sich zeitlich ändernden Sonnenstands-Winkel einachsig
nachzuführen.
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Zur
Regelung der Nachführung der Reflektoren in Abhängigkeit
vom Sonnenstand sind mehrere Möglichkeiten denkbar: Zum
einen eine zeitlich gesteuerte Winkelnachführung, welche
die Reflektoren der vorbekannten Sonnenstellung nachführt.
Eine weitere Möglichkeit der geregelten Nachführung
der Reflektoren der Solaranlage besteht darin, einen lichtempfindlichen
Sensor zu verwenden, welcher den aktuellen Sonnenstand ermittelt.
In der 7 ist eine dementsprechende Sensoreinheit 30 dargestellt:
Der Sonnenstands-Sensor besteht aus einem (oder mehreren) lichtempfindlichen
Empfangerchip 34, der beispielsweise als ein Zeilensensor
als CCD- oder CMOS-Halbleiter oder als ein lineares PSD (optical
Position-Sensitive Detector) realisiert sein kann. Oberhalb des
Sensors 34 ist eine Zylinderlinse 32 angeordnet,
welche das einfallende Sonnenlicht 6, 8 auf den
Empfängerchip 34 abbildet bzw. fokussiert. Bevorzugt
liegt daher die Oberfläche des Empfängerchips 34 in
der bildseitigen Brennebene der Zylinderlinse 32, so dass
senkrecht einfallendes Sonnenlicht 6 auf ein Sensorzeilen-Element 35 und
seitlich einfallendes Sonnenlicht 8 auf ein unterschiedliches
Sensorzeilen-Element 36 fokussiert wird. Dabei ist die Zylinderlinse 32 derart
angeordnet, dass die Symmetrieachse der Zylinderlinse 32 parallel
zur Drehachse 21 der Reflektoren 2 verläuft.
Die Zylinderlinse 32 ist dabei so lang, dass stets fokussiertes
Sonnenlicht auf die lichtempfindlichen Bereiche des Empfängerchips 34 fällt.
Bevorzugt wird die Sensoreinheit 30 innerhalb des Moduls 3 angeordnet,
jedoch ist auch eine Anordnung außerhalb des Moduls oder
im Empfängerrohr 5 denkbar.
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Eine
entsprechende Regeleinrichtung 40 zur Regelung der Nachführeinrichtung
in Abhängigkeit vom Sonnenstand ist in der 8 dargestellt.
Ein Zeitgeber 42 schaltet über ein Relais 44 die
Regeleinheit 40 in Zeitintervallen ein. Entsprechend der
Information der Sensoreinheit 30 über den Sonnenstands-Winkel
wird ein Linearmotor zur Verstellung der Reflektoren 2 angetrieben.
Der Linearmotor kann beispielsweise durch einen Linear-Schrittmotor 26 mit
einer Spindel 28 realisiert sein, der etwa schrittweise
solange angesteuert wird, bis die dem Sonnenstand entsprechende
Winkellage der Reflektoren 2 erreicht ist.
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Idealerweise
werden die Solarmodule in der idealen Neigung zwischen 20 und 50
Grad aufgestellt, so dass die Empfängerrohre bzw. der Drehwinkel
der Reflektoren weitgehend senkrecht zum Kreis positioniert ist,
auf dem die Sonne relativ zur Erde verläuft. Allerdings
sind aufgrund der einachsigen Nachführung der Reflektoren
innerhalb der Module auch andere Aufstell-Positionen denkbar. Insbesondere
ist auch eine Wandmontage möglich. Hierbei ist es vorteilhaft,
wenn die Empfängerrohre 5 weitgehend waagerecht
verlaufen. Je nach Sonnenstand findet am Anfang des Moduls eine
Abschattung und am Ende eine seitliche Abstrahlung über
das Empfängerrohr hinaus statt. Eine fluchtende Aneinanderreihung
in horizontaler Richtung gewährleistet, dass dieses Licht
vom benachbarten Empfängerrohr absorbiert wird. Ebenso
wird bevorzugt bei einer Dachmontage verfahren, indem die bevorzugt
in Nord-Süd Richtung verlaufenden Röhren bzw.
Module aneinandergereiht werden, wie in der 9 schematisch
dargestellt ist. Dabei kann ein seitlicher Versatz der Röhren 5 relativ
zu den jeweiligen Modulen 3 vorgesehen werden.
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Die 10 bis 13 zeigen
ein Ausführungsbeispiel einer zweiteiligen Solaranlage 1,
bestehend aus dem Modul 3, das Reflektoren 2, 2' aufweist
und durch ein Solarglas 4 abgedeckt ist sowie aus einem
Empfängerrohr 5, das den Absorber 12 beinhaltet;
der einen Kühlkörper 14, einen Kühlkanal 16 sowie
Solarzellen 1 laufweist. Durch ein Kühlmittel,
das einen Kühlkanal 16 durchfließt, wird
der Absorber 12 gekühlt. Die Solarzellen 11 sind
in Richtung zu den Reflektoren orientiert an einem Kühlkörper 14 angebracht,
etwa geklebt oder verlötet, an welchem wiederum der Kühlkanal 16 befestigt
ist. Der Kühlkörper besteht vorzugsweise aus einem
Aluminium- oder Kupfer-Blech. Die Solarzellen sind möglichst
gut wärmeleitend und elektrisch isolierend mit dem Kühlkörper
verbunden. Hierzu kann der Kühlkörper als wärmeleitende
Leiterplatte, bestehend aus einem Aluminium- oder Kupferblech sowie
einer Isolationsschicht und darauf befindlichen Leiterbahnstrukturen vorgesehen
werden, auf welche die vorzugsweise rückseiten-kontaktierten
Solarzellen gelötet werden. Alternativ können
die Solarzellen auf den Kühlkörper etwa mittels
eines wärmeleitenden Klebers oder einer wärmeleitenden
Folie geklebt werden.
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Der
Absorber 12 ist in einem Abstand von etwa 20–60
cm Höhe über dem Modul angeordnet. Wie in der 11 erkennbar
ist, lenken sämtliche Reflektoren 2, 2' das
einfallende Sonnenlicht 6, 8 auf die Solarzellen 11 des
Absorber 12 um, wobei hier die Solarzellen 11 in
zwei Reihen 11a und 11b angeordnet sind, wobei
beide Reihen der Solarzellen 11 einen Winkel δ von
etwa 90 Grad einschließen und wobei die Reflektoren 2,
die links vom Absorber angeordnet sind, die rechte Reihe 11b der
Solarzellen 11 beleuchten und entsprechend die rechts des
Absorbers angeordneten Reflektoren 2' die linke Reihe 11a der
Solarzellen 11 beleuchten, um einen möglichst
senkrechten Einfall des reflektierten Sonnenlichtes 7 auf
die Solarzellen zu ermöglichen, wodurch die Effizient der
Umwandlung des einfallenden Lichtes in Strom erhöht wird.
Darüber hinaus wird nach Art einer Lichtfalle zum Teil
an den Solarzellen 11 reflektiertes Licht auf gegenüberliegende
Solarzellen gelenkt.
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Die
Breite der Reflektoren entspricht dabei weitgehend der Breite einer
Reihe von Solarzellen. Entsprechend ist die Länge der senkrecht
zur Zeichenebene hintereinander angeordneten Solarzellen weitgehend
identisch mit der sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden
Länge der Reflektoren. Die Solarzellen sind dabei vorzugsweise
elektrisch in Reihe geschaltet und weisen parallel zu jeder Solarzelle
geschaltete Bypass-Dioden, vorzugsweise vom Schottky-Typ auf.
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In
der 13 ist der Antrieb der Reflektoren dargestellt.
Die Reflektoren 2, 2' bestehen etwa aus einem
Aluminiumblech geringer Dicke, dessen zur Sonne gerichtete Seite
verspiegelt ist und sind auf einer Halterung 18 montiert
und in Drehpunkten 22 endseitig drehbar gelagert und weisen
jeweils Nachführstifte 23 auf, die mit einer Nachführstange 25 über
Drehgelenke 24 verbunden sind. Ein Antriebsmotor 26,
der hier als Linearmotor ausgebildet ist, verstellt die Nachführstange
weitgehend linear durch eine Spindel 28, die mit der Nachführstange 25 verbunden
ist.
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Wie
in der 17 graphisch dargestellt ist, besteht
eine Abhängigkeit der empfangenen Lichtleistung von dem
Sonnenstand und es verringert sich die auf den Absorber reflektierte
Lichtleistung aufgrund von Abschattungen der Reflektoren untereinander,
je kleiner der Abstand zwischen dem Absorber und der Ebene wird,
in welcher die Reflektoren angeordnet sind. Vorzugsweise sind daher
in einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der 14 die
Reflektoren nicht in einer Ebene angeordnet, sondern weisen zum
Rand des Moduls hin eine größere Bauhöhe
vom Modulboden auf, als weiter zur Mitte hin, während die
in der Modulmitte angeordneten Reflektoren leicht höher
angeordnet sind, als die seitlich benachbarten Reflektoren. Man
erhält somit eine W-förmige Anordnung der Drehpunkte 22 der
Reflektoren 2, 2', die durch eine gerade Funktion
vierten oder höheren Grades approximiert werden kann. Diese
Anordnung optimiert die empfangene Lichtleistung in Abhängigkeit
vom Sonnenstand, für den Fall, dass eine Anordnung von
zwei Reihen 11a, 11b von Solarzellen 11 entlang
der Drehachse 21 verwendet wird, die zueinander einen Winkel δ ungleich
Null einschließen, d. h. nicht innerhalb einer gemeinsamen Ebene
angeordnet sind.
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Für
den Fall, dass die Solarzellen innerhalb einer gemeinsamen Ebene
angeordnet sind, ist eine parabolische Anordnung als Funktion zweiten
Gerades der Drehpunkte 22 der Reflektoren 2, 2' vorteilhaft.
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Eine
erste Kurve der 17 zeigt die Situation für
einen Absorberabstand von 600 mm zu dem mittleren Reflektor, wobei
der Absorber zwei Reihen von Solarzellen aufweist, die einen Winkel δ von
142 Grad einschließen, um einen möglichst senkrechten Lichteinfall
zu gewährleisten. Die Reflektoren sind dabei in einer Ebene
(E) angeordnet. Dabei befindet sich der Absorber stets mittig über
den Reflektoren und es beleuchten stets die links des Absorbers
angeordneten Reflektoren die linke Reihe der Solarzellen und entsprechend
die rechts des Absorbers angeordneten Reflektoren die rechte Reihe
der Solarzellen. Eine weitere Kurve zeigt die empfangene Leistung
einen Absorberabstand von 300 mm bei ebenfalls in einer Ebene (E)
angeordneten Reflektoren. Auch hier sind zwei Reihen von Solarzellen
vorgesehen, die nunmehr einen Winkel δ von 102 Grad einschließen.
Eine weitere Kurve zeigt einen vergleichsweise kleinen Absorberabstand
von 148 mm bei W-förmig angeordneten Reflektoren 2, 2'.
Auch hier sind zwei Reihen 11a, 11b von Solarzellen
vorgesehen, die nunmehr einen Winkel δ von 100 Grad einschließen.
Generell ist es sinnvoll, einen großen Abstand zwischen
dem Absorber und den Reflektoren vorzusehen, um eine möglichst
geringe Abschattung zwischen den verschiedenen Reflektoren zu vermeiden.
Je größer dieser Abstand ist, desto mehr nähert
sich der optimale Winkel δ zwischen den beiden Reihen von
Solarzellen der 180 Grad-Marke, was bedeutet, dass diese sich dann
weitgehend in einer Ebene befinden.
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Bei
einem hinreichend großem Abstand zwischen dem Absorber
und den Reflektoren ist es ausreichend, wenn die Reflektoren sich
innerhalb einer Ebene befinden und die Solarzellen innerhalb einer dazu
parallelen Ebene angeordnet sind. Wird allerdings der Abstand kleiner,
etwa um ein einteiliges Solar-Modul zu bauen, bei welchem sich der
Absorber gemeinsam mit den Reflektoren innerhalb eines Gehäuses
unterhalb eines Solarglases befindet, so weist der Absorber vorzugsweise
mindestens zwei Reihen von Solarzellen auf, die um einen Winkel δ zueinander
geneigt sind und die Reflektoren befinden sich nicht in einer Ebene,
sondern weisen einen W-förmigen Verlauf auf.
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Sind
die Drehpunkte 22 der Reflektoren 2, 2' auf
einer Parabel positioniert, so ergibt sich im Vergleich zu einer
ebenen Anordnung der Drehpunkte der Reflektoren bereits eine geringere
Abschattung untereinander. Ganz besonders vorteilhaft ist jedoch eine
W-förmige Anordnung der Drehpunkte 22 der Reflektoren 2, 2' insbesondere
für den Fall, dass die Solarzellen 11 auf dem
Absorber 12 in zwei um einen Winkel δ zueinander
abgewinkelten Reihen 11a, 11b angeordnet sind.
Bei geeigneter Optimierung erhält man somit eine nur unwesentlich
geringere Leistungskurve im Vergleich zu Solaranlagen mit deutlich größeren
Abständen zwischen dem Absorber und den Reflektoren.
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Die 14 bis 16 zeigen
ein weiteres, nunmehr einteiliges Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Der besseren Übersicht halber sind das Modul-Gehäuse
sowie das Solarglas, welches das Modul in Richtung zur Sonne hin
abdeckt, nicht zeichnerisch dargestellt.
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Der
Absorber 12, bestehend aus dem Kühlkörper 14,
dem Kühlkanal 16 sowie zwei um einen Winkel δ zueinander
geneigten Reihen von Solarzellen 11, ist in dem Ausführungsbeispiel
der 14 bis 16 mitsamt
den Reflektoren 2, 2' innerhalb des Moduls angeordnet
und vom Solarglas 4 in Richtung zur Sonne hin abgedeckt.
Der Absorber 12 wird an den Seitenwänden des Moduls 3 montiert.
Die Reflektoren 2, 2' sind auf Halterungen 18 montiert
und in Drehpunkten 22 gelagert, die auf einer W-förmigen Kurve
liegen und durch zweimal gebogene Nachführstifte 23 mit
einer Nachführstange 25 durch ein Drehgelenk 24 verbunden
sind. Die Nachführstange 25 wiederum wird durch
einen Linearmotor 26 vermittels einer Spindel 28 verstellt
und somit werden die Reflektoren dem sich zeitlich verändernden
Sonnenstand nachgeführt. Da die Abstände zwischen
den Drehpunkten 22 und den Drehgelenken 24 für
alle Reflektoren 2, 2' identisch sind und da sämtliche Nachführstifte 23 parallel
zueinander verlaufen, weist der Verlauf der Drehgelenke 24 auf
der Nachführstange 25 denselben W-förmigen
Verlauf auf, wie die Drehpunkte 22 der Reflektoren 2, 2'.
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Die
Solarzellen 11 sind auch in diesem Ausführungsbeispiel
in zwei Reihen 11a, 11b senkrecht zur Zeichenebene
angeordnet, wobei beide Reihen 11a, 11b der Solarzellen 11 einen
Winkel δ von etwa 100 Grad einschließen, damit
das durch die Reflektoren 2, 2' reflektierte Sonnenlicht 7 weitgehend
senkrecht auf die Solarzellen 11 auftrifft. Diejenigen
Reflektoren 2, die links der Modul-Mitte angeordnet sind,
reflektieren das einfallende Sonnenlicht auf die linke Reihe 1la der
Solarzellen und entsprechend die rechts der Modulmitte angeordneten
Reflektoren 2' auf die rechte Solarzellen-Reihe 11b.
Auch hier ist die Breite der Reflektoren weitgehend identisch mit der
Breite einer Reihe von Solarzellen.
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Selbstverständlich
können auch mehr als zwei Reihen von Solarzellen 11 verwendet
werden. So können beispielsweise jeweils zwei Reihen von Solarzellen
parallel zueinander ausgerichtet sein und zwei weitere Reihen von
Solarzellen hierzu um einen Winkel versetzt angeordnet werden. Die
Breite der Reflektoren wird in diesem Fall etwa so groß sein, wie
die Breite derjenigen zwei Reihen von Solarzellen, die zueinander
parallel ausgerichtet sind.
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Die 18 bis 20 zeigen
ein weiteres einteiliges Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Weitgehend identische Bauteile werden dabei mit denselben Bezugszeichen
versehen. Ein Unterschied zum vorangehenden Ausführungsbeispiel
liegt in dem Antrieb der Reflektoren durch einen rotatorischen Elektromotor,
der vorzugsweise durch einen Gleichstommotor 26 gegeben
ist, der abtriebsseitig ein Getriebe aufweisen kann. Die Kraftübertragung
kann dabei wie dargestellt durch einen Riemenantrieb, oder alternativ
durch Zahnräder erfolgen. Die Reflektoren bestehen hierbei
aus Glasspiegeln, so dass eine separate Halterung entfallen kann.
Die Reflektoren sind endseitig auf Winkeln gehalten, die über
Drehpunkte 22 mit einem Rahmenbauteil verbunden sind. Weiterhin
weisen die Winkel Bohrungen auf, in welche Nachführstifte 23 gesetzt
werden, die über Drehgelenke 24 mit der Nachführstange 25 verbunden
sind. Diese Nachführstange 25 wird über
einen Riemenantrieb durch den Elektromotor 26 verdreht.
Dadurch werden die Reflektoren 2, 2' dem sich ändernden Sonnenstand
nachgestellt. Weiterhin wird zugleich über eine 1:2-Übersetzung
eine Sensoreinheit 30 verstellt. Diese Sensoreinheit 30 weist
eine lichtundurchlässige Platte auf, wobei zu beiden Seiten
der Platte jeweils mindestens ein lichtempfindliches Photoelement,
wie etwa ein Photowiderstand- eine Photo-Diode oder ein Photo-Transistor,
angeordnet ist.
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Im
Idealfall erhalten beide Photoelemente gleich viel Licht. Verändert
sich der Sonnenstand, so gelangt ein Photoelement in den Schatten
und der Elektromotor wird etwa über einen Verstärker
und eine Transistor H-Brücke angetrieben, bis beide Photoelemente
wieder gleich viel Licht empfangen.
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- 1
- Solaranlage
- 2,
2'
- Reflektor
- 3
- Modul
- 4
- Solarglas
- 5
- Empfängerrohr
- 6,
8
- einfallendes
Sonnenlicht
- 7
- reflektiertes
Sonnenlicht
- 9,
9'
- Lotsenkrechte
zur Reflektor-Oberfläche
- 10
- Empfängerfläche
- 11
- Solarzellen
- 11a,
11b
- Reihe
von Solarzellen
- 12
- Absorber
- 14
- Kühlkörper
- 16
- Kühlkanal
- 18
- Halterung
- 19
- Kugellager
- 20
- Nachführeinrichtung
- 21
- Drehachse
- 22
- Drehpunkt
- 23
- Nachführstift
- 24
- Drehgelenk
- 25
- Nachführstange
- 26
- Antriebsmotor
- 27
- Welle
- 28
- Spindel
- 29
- Vortrieb
- 30
- Sensoreinheit
- 32
- Zylinderlinse
- 34
- Sensor
(Halbleiter-Empfängerchip)
- 35,
36
- Sensorzeilen-Element
- 40
- Regelungseinrichtung
- 42
- Zeitgeber
- 44
- Relais
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Schaltungen
zur Nachführung von Kollektoren und Solarzellenträgern"
von Volker Heinzel und Joachim Schröder in Sonnenenergie
Nr. 2, 1986, Seiten 23–24 [0020]