DE102009049228A1

DE102009049228A1 - Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie

Info

Publication number: DE102009049228A1
Application number: DE102009049228A
Authority: DE
Inventors: Harry Dr. 79249 Wirth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2011-08-04
Also published as: WO2011045013A3; EP2489079A2; CN102714250A; WO2011045013A2; US20120260970A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie, die mindestens einen plan ausgebildeten Strahlungsteiler zur Ablenkung von Solarstrahlung und mindestens zwei, zum Strahlungsteiler in Bezug auf die Einstrahlrichtung der Solarstrahlung versetzt angeordnete Vufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie, die mindestens einen plan ausgebildeten Strahlungsteiler zur Ablenkung von Solarstrahlung und mindestens zwei, zum Strahlungsteiler in Bezug auf die Einstrahlrichtung der Solarstrahlung versetzt angeordnete Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie aufweist.
Seit vielen Jahren gibt es im Bereich der Photovoltaik Ansätze, die Solarstrahlung zu konzentrieren, um die Menge an Solarzellenmaterial zu minimieren und zum anderen höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Das Prinzip beruht darauf, dass Solarstrahlung mit Spiegeln und/oder Linsen konzentriert und auf spezielle Konzentrator-Solarzellen gerichtet wird. Damit reduziert sich die photovoltaisch aktive Fläche und damit die nötige Menge an teuren Solarzellenmaterialien.
Durch die Konzentration der Solarstrahlung, die auf photovoltaisch aktive Flächen einwirkt, lassen sich die Kosten für den Solarstrom senken. Dies gilt insbesondere für Regionen mit hohem Direktstrahlungsanteil.
Im Stand der Technik sind zur Konzentration von Solarstrahlung auf PV-Empfänger lichtdurchlässige Scheiben mit einseitiger Strukturierung nach Art linearer Fresnellinsen bekannt ( US 2003/0201007 A1 , DE 101 25 273 A1 ). Diese Linsen weisen aktive Facetten und inaktive Facetten („Stufen”) auf. Die Linsen funktionieren auf der Basis von Lichtbrechung, wobei auch Linsen auf Basis von Totalreflexion bekannt sind.
Bei senkrechter Bestrahlung der Scheibe muss die Struktur auf der strahlungsabgewandten Seite angeordnet sein, um Verluste durch die inaktiven Facetten (Stufen) zu vermeiden. Nachteilig sind die senkrechten inaktiven Facetten und die spitzen Winkel zwischen aktiven und inaktiven Facetten kleiner ca. 60°, wenn es darum geht, preiswerte Materialien und Abformverfahren anzuwenden, z. B. durch Strukturieren von Glas.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Konzentratoranordnung bereitzustellen, die eine deutliche Reduzierung der flächigen Ausdehnung von mit den Konzentratoren gekoppelten Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Konzentrator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie bereitgestellt, die mindestens einen plan ausgebildeten Strahlungsteiler zur Ablenkung von Solarstrahlung und mindestens zwei, zum Strahlungsteiler in Bezug auf die Einstrahlrichtung der Solarstrahlung versetzt angeordnete Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie aufweist. Der Strahlungsteiler weist dabei auf der der Solarstrahlung zugewandten oder abgewandten Seite eine bezügliche einer Achse translationsinvariante Strukturierung auf, die auf den Strahlungsteiler fallende Solarstrahlung mittels Lichtbrechung auf die mindestens zwei Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie ablenkt. Der Strahlungsteiler ist dabei als plane Scheibe oder Platte ausgeführt.
Unter translationsinvarianter Strukturierung ist zu verstehen, dass der Querschnitt des Strahlungsteilers über die Länge des Strahlungsteilers, d. h. in Ausbreitungsrichtung senkrecht zum Querschnittsprofil, im Wesentlichen unverändert bleibt.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass gegenüber Konzentratoren, bei denen die Ablenkung der Strahlung auf Totalreflexion beruht, nicht zwingend spitze Strukturen, d. h. Strukturen mit einem Flankenwinkel von 60° erforderlich sind, sondern auch flachere Strukturen, d. h. Strukturen mit kleineren Flankenwinkeln realisierbar sind. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass derartige Strukturen sich wesentlich einfacher abformen lassen.
Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Konzentrator gegenüber Systemen, die auf Totalreflexion beruhen, den Vorteil auf, dass hier eine Abweichung von einem Flankenwinkel von 60°, was bei der Totalreflexion zwingend zu Reflexionsverlusten führen würde, im vorliegenden Fall unkritisch ist, so dass hier auch Fehlertoleranzen bei der Herstellung der Strukturen akzeptabel sind.
Es ist bevorzugt, dass die Strukturierung aus mehreren sich über die gesamte Fläche periodisch wiederholenden Strukturelementen besteht.
Eine andere bevorzugte Alternative sieht vor, dass die Strukturierung aus mehreren sich unterscheidenden Strukturelementen besteht, wobei die einzelnen Strukturelemente so aufeinander abgestimmt sind, dass eine zumindest teilweise Konzentrierung der abgelenkten Strahlung auf die aktive Fläche erfolgt.
Die Strukturierung ist vorzugsweise in Form von im Wesentlichen gleichschenkligen Prismen ausgebildet. Sind die Prismen auf der der Solarstrahlung abgewandten Seite angeordnet, so weisen sie vorzugsweise einen Basiswinkel (Flankenwinkel) im Bereich von 10° bis 40°, bevorzugt von 20° bis 35° auf.
Sind die Prismen auf der der Solarstrahlung zugewandten Seite angeordnet, so weisen diese bevorzugt einen Basiswinkel (Flankenwinkel) im Bereich von 10° bis 70°, besonders bevorzugt von 20° bis 60°, auf.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Basiswinkel der Prismen so variiert sind, dass eine zumindest teilweise Konzentrierung der abgelenkten Strahlung erfolgt.
Der Strahlungsteiler besteht vorzugsweise aus einem strukturierbaren Material oder Materialverbund, dessen Transmission mindestens 85% im Wellenlängenbereich von 400 bis 1100 nm beträgt, oder enthält dieses im Wesentlichen. Vorzugsweise ist das Material aus Glas und/oder organischen Materialien, insbesondere Fluor-, Acrylat- oder Silikonpolymeren, oder enthält dieses im Wesentlichen. Es ist auch möglich mehrlagige Verbundsysteme als Strahlungsteiler einzusetzen. Erfindungsgemäß weist dann die der mindestens einen photovoltaisch aktiven Oberfläche zugewandte oder abgewandte Schicht oder Lage des Strahlungsteilers die Strukturierung auf.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Strukturierung des Strahlungsteilers eine über die gesamte Oberfläche im Wesentlichen gleiche Strukturtiefe in Richtung der Flächennormale der Oberfläche, die bevorzugt im Bereich von 10 μm bis 20 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 50 μm bis 5 mm liegt.
Die Strukturierung kann dabei bevorzugt durch Guss, Spritzguss, Extrusion und/oder Prägung eingebracht worden sein.
Ebenso kann der Strahlungsteiler eine spektral selektive Transmission aufweisen zugunsten des photovoltaisch nutzbaren Spektralanteils, i. a. mit maximalen Transmissionen im Bereich von 400 nm bis 1100 nm.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Strahlungsteiler auf der der Solarstrahlung zugewandten und/oder abgewandten Seite eine antireflektive Beschichtung aufweist.
Bei der Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie handelt es sich bevorzugt um Solarzellen, Solarmodule oder thermische Solarkollektoren.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie zusätzlich eine Anordnung zur ein- oder zweiachsigen Nachführbarkeit gegenüber der Sonnenposition auf. Hierdurch wird es ermöglicht, dass der Konzentrator zwischen zwei Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie, z. B. zwei Solarmodulen, angeordnet wird und durch das Nachführsystem der Ertrag der Solarmodule gesteigert werden kann. Ebenso kann Solarstrahlung, die auf den inaktiven Rahmen der Solarmodule fallen würde, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgenutzt werden.
Verwendung finden die zuvor beschriebenen Konzentratoren zur Konzentrierung von Sonnenstrahlung auf photovoltaisch aktive Bauelemente. So können die Konzentratoren zum Aufbau von konzentrierenden Photovoltaiksystemen eingesetzt werden. Als Zellen oder Module können marktübliche Siliziumzellen oder Siliziummodule für den nicht-konzentrierenden Einsatz eingesetzt werden. Wenn diese photovoltaischen Module nachgeführt werden, können sie auch auf üblichen Solar-Trackern montiert werden.
Ebenso ist es möglich, dass die erfindungsgemäßen Konzentratoren in Verbindung mit thermischen Solarkollektoren, die eine Umwandlung von Solarenergie in Wärme herbeiführen, eingesetzt werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung einen lichtbrechenden Fresnel-Strahlungsumlenker gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt anhand einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Konzentrator.
3 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Anordnung mehrerer Strahlungsteiler in Verbindung mit entsprechenden aktiven Flächen.
4 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Konzentrators.
5 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine weitere erfindungsgemäße Variante eines Strahlungsteilers.
In 1 ist ein Strahlungsumlenker 1, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, dargestellt. Hier ist eine Strukturierung 2 auf der der Solarstrahlung abgewandten Seite des Strahlungsumlenkers 1 angeordnet. Neben den aktiven Flächen 2 weist die Strukturierung auch inaktive Flächen, d. h. Stufen 3, auf. Einfallende Solarstrahlung 5 bzw. 5' wird an den aktiven Flächen abgelenkt, diese abgelenkte Strahlung 6 bzw. 6' kann dann weiter verwertet werden. Der Nachteil dieser Ausführungsform ist auf die senkrechten inaktiven Flächen sowie die spitzen Winkel zwischen aktiven und inaktiven Flächen zurückzuführen. Dies erschwert eine kostengünstige Herstellung ebenso wie den Einsatz kostengünstiger Materialien.
In 2 ist ein erfindungsgemäßer Konzentrator abgebildet, der einen Strahlungsteiler 11 aufweist, über den Sonnenstrahlung 13 in einen ersten Strahlbündel 14 und einen zweiten Strahlbündel 14' abgelenkt wird. Der Strahlbündel 14 wird dabei auf die aktive Fläche 15, z. B. eine Solarzellenoberfläche, abgelenkt, während der zweite Strahlbündel 14' auf die photovoltaisch aktive Fläche 15' abgelenkt wird. Mit einer derartigen Anordnung lässt sich eine geometrische Konzentration um den Faktor 1,5 erreichen.
Die in 2 gezeigte Anordnung von einem Strahlungsteiler und zwei photovoltaisch aktiven Flächen kann in beide Raumrichtungen beliebig fortgesetzt werden, z. B. eine arrayartige Anordnung. In diesem Fall ergibt sich eine geometrische Konzentration um den Faktor 2.
In 3 ist eine erfindungsgemäße Variante eines Strahlungsteilers 21 dargestellt, bei dem die Strukturierung auf der der Solarstrahlung abgewandten Seite angeordnet ist. Hierbei weist die Strukturierung aktive Flächen 22 und 23 auf. Einfallende Solarstrahlung 24 bzw. 24' wird hierbei an den aktiven Flächen gebrochen und als abgelenkte Strahlung 25 bzw. 25' z. B. zu den Solarmodulen geführt. Die Flankenwinkel der Strukturierung, also der Prismen, sind bei einem Brechungsindex des Materials des Strahlungsteilers von n = 1,5 auf etwa 34° begrenzt, so dass sich eine maximale Strahlablenkung von etwa 24° ergibt. Bei größeren Flankenwinkeln beginnen die Reflexionsverluste zuzunehmen.
In 4 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Strahlungsteilers 31 dargestellt, bei dem die Strukturierung auf der der Solarstrahlung zugewandten Seite des Strahlungsteilers 31 angeordnet ist. Auch hier sind aktive Flächen 32 und 33 dargestellt. Einfallende Solarstrahlung 34 und 34' wird an den aktiven Flächen 32 und 33 sowie beim Austritt aus dem Strahlungsteiler 31 gebrochen und als abgelenkte Strahlung 35 und 35' zu den Solarmodulen geführt. In dieser Anordnung liegt der maximale Flankenwinkel bei etwa 60°, womit eine Strahlablenkung von etwa 39° erreicht werden kann. Die große Strahlablenkung ermöglicht dadurch einen kompakteren Aufbau für konzentrierende PV-Systeme.
In 5 ist ein erfindungsgemäßer Strahlungsteiler 41 dargestellt, der asymmetrische Flankenwinkel der Prismen 42, 43 und 44 aufweist. Die abgelenkte Strahlung 45, 46 bzw. 47 wird somit abgelenkt und gebündelt, d. h. konzentriert. Über die Breite der Struktur und die graduelle Veränderung der Prismen können so höhere Konzentrationen erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2003/0201007 A1 [0004]
DE 10125273 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Konzentrierung und Umwandlung von Solarenergie enthaltend mindestens einen plan ausgebildeten Strahlungsteiler zur Ablenkung von Solarstrahlung und mindestens zwei, zum Strahlungsteiler in Bezug auf die Einstrahlrichtung der Solarstrahlung versetzt angeordnete Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie, wobei der Strahlungsteiler auf der der Solarstrahlung zugewandten oder abgewandten Seite eine bezügliche einer Achse translationsinvariante Strukturierung aufweist, die auf den Strahlungsteiler fallende Solarstrahlung mittels Lichtbrechung auf die mindestens zwei Vorrichtungen für die Umwandlung von Solarenergie ablenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung aus mehreren sich über die gesamte Fläche periodisch wiederholenden Strukturelementen besteht oder aus mehreren sich unterscheidenden Strukturelementen besteht, wobei die einzelnen Strukturelemente so aufeinander abgestimmt sind, dass eine zumindest teilweise Konzentrierung der abgelenkten Strahlung erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung in Form von im Wesentlichen gleichschenkligen Prismen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen auf der der Solarstrahlung abgewandten Seite angeordnet sind, wobei die Prismen bevorzugt einen Basiswinkel im Bereich von 10° bis 40°, besonders bevorzugt von 20° bis 35° aufweisen, oder die Prismen auf der der Solarstrahlung zugewandten Seite angeordnet sind, wobei die Prismen dann bevorzugt einen Basiswinkel im Bereich von 10° bis 70°, besonders bevorzugt von 20° bis 60° aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsteiler aus einem strukturierbaren Material oder Materialverbund besteht, dessen Transmission mindestens 85% im Wellenlängenbereich von 400 bis 1100 nm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus Glas und/oder organischen Materialien, insbesondere Fluor-, Acrylat- oder Silikonpolymeren, besteht oder dieses im Wesentlichen enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung eine über die gesamte Oberfläche im wesentlichen gleiche Strukturtiefe in Richtung der Flächennormale der Oberfläche im Bereich von 10 μm bis 20 mm, insbesondere von 500 μm bis 5 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung durch Guss, Spritzguss, Extrusion und/oder Prägung eingebracht wurde.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsteiler eine spektral selektive Transmission aufweist zugunsten des photovoltaisch nutzbaren Spektralanteils.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsteiler auf der der Solarstrahlung zugewandten und/oder abgewandten Seite eine antireflektive Beschichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für die Umwandlung von Solarenergie eine Solarzelle, ein Solarmodul oder ein thermischer Solarkollektor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Anordnung zur ein- oder zweiachsigen Nachführbarkeit gegenüber der Sonnenposition aufweist.