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Die
Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des beigefügten
Anspruchs 1. wie sie aus dem Artikel A.W. Bett et. Al: FLATCON AND
FLASHCON CONCEPTS FOR HIGH CONCENTRATION PV. Proc. 19th European Photovoltaic
Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite
2488 bekannt ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein photovoltaisches Modul
(PV-Modul) zum direkten Umwandeln von Licht in elektrische Energie,
bei der das einfallende Licht vor dem Auftreffen auf eine Mehrzahl
viel kleinerer Solarzellen konzentriert wird (PV-Konzentratormodul).
Auch betrifft die Erfindung eine Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie,
welche wenigstens eine, bevorzugt mehrere solcher Photovoltaik-Vorrichtungen
(PV-Konzentratormodule)
aufweist.
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Eine
Möglichkeit
zur Nutzung der Solarenergie ist die Umwandlung von Sonnenlicht
in Wärme, wie
sie als Solarthermie bekannt ist. Eine typische Anwendung ist der
Sonnenkollektor. Solarthermische Anwendungen sind um so effizienter,
je mehr von der Sonneneinstrahlung absorbiert wird und je weniger der
dabei entstehenden Wärme
durch Wärmestrahlung,
Wärmeleitung
oder Wärmeübertragung
verloren geht. Um eine möglichst
hohe Effizienz zu erreichen, verfügen sogenannte Absorber von
Sonnenkollektoren über
eine selektive Beschichtung. Diese hat eine besonders hohe Aufnahmefähigkeit
(Absorptionsgrad) für
den Spektralbereich des Sonnenlichts, in dem die meiste Energie
eingestrahlt wird, während
die Abstrahlung infraroter Wärmestrahlung durch
einen geringen Emissionsgrad minimiert wird. Einfache schwarze Farbe
nimmt dagegen Strahlung so gut auf wie sie Wärmestrahlung abgibt.
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Die
direkte Nutzung der Solarenergie geschieht üblicherweise über Sonnenkollektoren
in thermischen Solaranlagen. Handelsübliche Kollektoren erreichen
Wirkungsgrade zwischen 60% und bis über 70%. Das heißt, sie
wandeln 60% bis 70% der auf die Kollektorfläche auftreffenden Sonnenenergie in
nutzbare Wärme
um. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand
zwischen 200 und 1000 W/m2 ein.
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Weiter
gibt es Sonnenwärmekraftwerke
bei denen die Sonnenenergie mit Spiegeln gebündelt wird, wodurch am Brennpunkt
Temperaturen bis zu 1300° erzielt
werden, die industriell gut nutzbar sind. Die hohen Energiekonzentrationen
werden mit einem Dampfkraftwerk oder einem Stirlingmotor in mechanische
Energie und anschließend
mit einem Stromgenerator in elektrische Energie umgewandelt.
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Bei
einem Flachkollektor treffen die durch eine Glasplatte (möglichst
aus Solarglas) einfallenden Sonnenstrahlen auf einen Absorber. Beim
Auftreffen der Sonnenstrahlen wird kurzwellige, energiereiche Strahlung
in langwellige Strahlung (Wärmestrahlung)
umgewandelt. Die dabei freiwerdende Wärme darf nicht verloren gehen,
weshalb der Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Wärme, die nicht direkt vom Absorber
aufgenommen oder von diesem als Emission wieder abgestrahlt wird,
wird durch die Glasscheibe zurück
reflektiert. Sie ist somit im Kollektor gefangen. Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf
die in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren
fließende
Wärmeträgerflüssigkeit.
Diese transportiert die gesammelte Wärmeenergie zu einem Verbraucher
oder einem Wärmespeicher.
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Der
Absorber soll direkte und diffuse Strahlung möglichst gut auffangen und in
Wärme umwandeln
(Absorption). Zugleich soll er möglichst
wenig Wärme
wieder in Form von Strahlung abgeben (Emission). Er soll sich selektiv
verhalten.
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Um
die Energieverluste zu minimieren wird in wenig sonnenverwöhnte Ländern auf
hoch-selektive Beschichtungen gesetzt, die Absorptionswerte über 90%
und Emissionswerte unter 10% aufweisen. Eine der möglichen
Beschichtungen ist die Schwarzchrom-Beschichtung. Sie wird in einem
galvanischen Verfahren auf das aus Kupfer oder Aluminium bestehende
Absorberblech aufgebracht.
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Am
verbreitetsten ist heute eine aufgesputterte Schicht auf Titanbasis
mit blauer Farbe auf dem Markt, die gegenüber Schwarzchrom zwar leicht schlechtere
Absorptionswerte aufweist, aber dafür deutlich niedrigere Emissionswerte
und damit insgesamt einen besseren Wirkungsgrad erreicht.
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Derzeit
besonders gute Absorberschichtsysteme sind unter den Handelnamen „sunselect" und „mirotherm" von der Fa. ALANOD-SUNSELECT GmbH & Co. KG, Sohnreystraße 21, 37697
Lauenförde
erhältlich.
Diese Absorberschichtsysteme lassen sich in solarthermischen Anlagen
entsprechend zum Bilden eines Absorberkörpers einbringen.
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Bei
allen üblichen
Absorberschichtsystemen ist die Lichteintrittsschicht eine Entspiegelungsschicht.
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Neben
der Beschichtung unterscheiden sich Absorber verschiedener Hersteller
auch in ihrem prinzipiellen Aufbau. Häufig sind Absorber, die aus einzelnen
Finnen in Form von etwa 10–15
cm schmalen Streifen bestehen, auf deren Rückseite jeweils ein dünnes Rohr
aufgeschweißt
ist, die dann an beiden Enden in einem Sammelrohr eingelötet werden, so
dass eine Art „Harfe" entsteht. Daneben
gibt es Flächenabsorber,
die aus einem einzigen Absorberblech bestehen; die Verrohrung ist
bei diesen meist serpentinartig auf der Rückseite aufgelötet oder
geschweißt.
Eine dritte Bauform sind die Kissenabsorber. Wie Flächenabsorber
bestehen sie aus einem einzigen durchgehenden Absorberblech, auf
die aber rückseitig
statt eine Rohrleitung ein pressgeformtes zweites Blech aufgebracht
ist; die Wärmeträgerflüssigkeit
strömt
zwischen diesen beiden Blechen.
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Zwar
finden solarthermische Anlagen in jüngster Zeit immer breitere
Verwendung, insbesondere bei der Heizung von Gebäuden und der Warmwasserversorgung.
Die Erzeugung elektrischer Energie aus durch solche Anlagen erzeugter
thermischer Wärme
ist jedoch mit hohem Aufwand und hohen Verlusten verbunden, so dass
diese Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie kaum genutzt werden.
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Im
Bereich der Nutzung der Solarenergie ist aber ca. seit 50 Jahren
bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium auch direkt in elektrischen
Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist
mono- oder multikristallines
Silizium verwendet. Die Leistung dieser Solarzellen ist allerdings
relativ gering, da sie nur ein begrenztes Spektrum der auftreffenden
Strahlung in elektrischen Strom umwandeln. Große Erfolge in Richtung auf eine
deutlich höhere
Effizienz mit über
39% Umwandlung der Solarstrahlung sind in den letzten Jahren mit
Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen
(III–IV-Halbleitermaterial)
wie z.B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt worden.
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Solche
Zellen auf Halbleitermatenialbasis können stufenartig als Tandem-,
Tripelzellen oder Vierfach-Stapelzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch
ein breiteres Licht-Frequenzspektrum. Die großflächige Produktion solcher Zellen
ist jedoch sehr kostenintensiv. Es wurde daher im Stand der Technik – siehe
der eingangs erwähnte
Artikel von Bett et al. – der
Ansatz gewählt,
das einfallende Sonnenlicht auf eine sehr kleine Fläche von
z.B. unter 1 mm2 zu konzentrieren. Nur für diese
kleine Fläche
ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz kann dann
bei unter 1% gegenüber
dem flächigen Einsatz
solcher Zellen liegen. Durch die Konzentration lässt sich die hohe Lichtausbeute
von Hochleistungs-PV-Zellen von z.Zt. über 39% nutzen. Da nur die
Verbindung mehrerer Solar-Einheiten einen wirtschaftlichen Einsatz
eines solchen PV-Systems
ermöglicht,
werden diese vorzugsweise zu einem PV-Konzentnatonmodul zusammengefasst.
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Diese
Hochleistungs-PV-Zellen sind sehr empfindlich gegen Umwelteinflüsse, bereits
Staubkörner
und kleine Schmutzpartikel oder Feuchtigkeit können ihre Funktion beeinträchtigen.
Daher werden die Solarzellen einzelner Module in einem geschlossenen
Gehäuse
untergebracht. Eine Fresnellinse – genauer eine Platte mit einer
Vielzahl von Fresnellinsenfeldern – dient als Lichteintrittsplatte
und optische Einheit zum Konzentrieren des durch diese Lichteintrittsplatte
einfallenden Sonnenlichts auf die viel kleineren Solarzellen. Gleichzeitig
bildet diese Fresnellinse die obere Seite des Modulgehäuses, welches seitlich
durch Seitenplatten und unten durch eine Grundplatte abgeschlossen
ist, auf dem die einzelnen Solarzellen rasterartig angeordnet sind.
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Problematisch
bei solchen PV-Konzentratormodulen ist jedoch, dass die hohe Konzentration
des Sonnenlichts auf die kleinen Solarzellen zu einer extremen Erwärmung der
Solarzellen führen
kann. Dieses Problem wird noch durch das geschlossene Gehäuse verstärkt. Es
gilt daher, eine effektive Konstruktion zur Abführung der auftretenden Wärme aufzufinden.
Diese Probleme bestehen auch bei in letzten Jahren vorgestellten
Konzentratorsystemen mit kleinflächigen
Optiken, die ebenfalls z.T. eine mehr als 500-fache Konzentration
des Sonnenlichts ermöglichten,
fort. Die Artikel A.W. Bett et al. FLATCON AND FLASHCON CONCEPTS
FOR HIGH CONCENTRATION PV, Proc. 19th European Photovoltaic Solar
Energy Conference, and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite 2488
sowie der Artikel G. Siefer et al. ONE YEAR OUTDOOR EVALUATION OF
A FLATCON CON-CENTRATOR MODULE, Proc. 19th European Photovoitaic
Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite
2078 beschreiben den derzeitigen Stand der Technik zu solchen PV-Konzentratormodulen,
der den Oberbegriff des beigefügten
Anspruchs 1 bildet.
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Insbesondere
ist die Abführung
hoher Wärmekonzentrationen
aus der näheren
Umgebung der Solarzellen nicht optimal gelöst. Diese Abführung der Wärmekonzentration
aus der näheren
Umgebung der Solarzelle spielt aber eine besondere Rolle, da der
Wirkungsgrad einer Solarzelle rasch mit der Zunahme der Temperatur
abnimmt. Bei den oben erwähnten
bekannten PV-Konzentratorsystemen
werden die hohen Wärmekonzentrationen
aus der näheren
Umgebung der Solarzellen eines PV-Konzentratormoduls mittels passiver
Luftkühlung
abgeführt
(dazu siehe den Artikel Gerhard P. Willeke HOCHKONZENTRIERENDE PHOTOVOLTAISCHE
GROSSANLAGEN, Stand und Perspektiven, Seite 61 unter www.fv sonnenenergie.de/fileadmin/fvsonne/publikationen/Hochkon_01.pdf).
Eine lediglich passive Luftkühlung
ist wenig effektiv, so dass die Solarzellen zu stark erwärmt werden
und ihr Wirkungsgrad sinkt. Eine aktive Kühlung würde aber wiederum einen Teil der
gewonnenen Energie aufzehren.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen
des Oberbegriffes des Anspruchs 1 derart auszubilden, dass die Sonnenenergie
besser ausgenutzt wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird somit
eine Photovoltaik-Vorrichtung geschaffen, mit der Sonnenenergie direkt
in elektrische Energie umwandelbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine Lichteintrittsplatte aus lichtdurchlässigem Material auf, durch
welche die Sonnenstrahlen eintreten. Weiter gibt es eine Vielzahl
von Solarzellen, die jeweils im Abstand von der Lichteintrittsplatte
auf deren sonnenabgewandten Seiten angeordnet sind und insgesamt
eine kleinere Fläche
als die Lichteintrittsfläche
der Lichteintrittsplatte haben. Eine optische Einheit konzentriert die
durch die Lichteintrittsfläche
eintretende Sonnenstrahlung auf die kleinere Fläche der Solarzellen. Die Solarzellen
können
so auch aus teuerem Material und insbesondere als Hochleistungs-Photovoltaikzellen
ausgebildet sein. Aufgrund der kleinen Fläche sind die Kosten dennoch
handhabbar. Das eintretende Licht wird durch die optische Einheit
auf diese kleineren Flächen
projiziert. Weiter ist nun erfindungsgemäß eine Wärmeableitungseinrichtung vorgesehen, die
die Wärmeenergie,
welche durch die so erfolgende Sonneneinstrahlung in die Photovoltaik-Vorrichtung
eintritt und somit zum Erhitzen der Solarzellen und damit zu einem
schlechteren Wirkungsgrad der Solarzellen führt, mittels eines Wärmeträgermediums aufnimmt
und aktiv abführt.
Die Wärmeableitungsvorrichtung
ist weiter derart ausgebildet, dass sie das Wärmeträgermedium anschließend einer
thermischen Nutzung zuführt.
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Auf
diese Weise werden nicht nur die Solarzellen mittels des Wärmeträgermediums
gekühlt,
die abzuführende
Wärmeenergie
wird zusätzlich
noch auf andere Wege genutzt.
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Die
thermische Nutzung kann zu Heizzwecken oder Wärmezwecken, wie beispielsweise
zur Erwärmung
von Gebäuden,
zum Erhitzen oder zum Erwärmen
von Brauchwasser usw. eingesetzt werden. Es ist auch möglich, mit
der so erhaltenen Wärmeenergie
Kühlvorrichtungen
zu betreiben.
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Entsprechende
Kühlvorrichtungen,
welche mittels Wärmeenergie
unter Abgabe der Wärme
auf einem anderen Temperaturniveau eine Kühlwirkung erzeugen, sind als
Absorptionskälteanlagen
bekannt und werden beispielsweise von den japanischen Herstellern
Nishiyodo und Mayekawa angeboten. Entsprechend kann mit solchen
Vorrichtungen die durch das Wärmeträgermedium
gelieferte Wärmeenergie auch
für eine
Kühlwirkung
ausgenutzt werden. Nachdem die hier in Rede stehenden Photovoltaik-Vorrichtung
ihren besten Wirkungsgrad in Ländern
mit einer hohen Sonneneinstrahlung erzielen, ist es besonders interessant,
die aus den Photovoltaik-Vorrichtungen abgeführte Wärmeenergie zur Betreibung von
Klimaanlagen zu verwenden.
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Die
erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung
kann auch für
jede andere thermische Nutzung, wofür heute auch bekannte solarthermische
Anlagen einsetzbar sind, ausgenutzt werden. So könnte mit der Wärmeenergie
auch mechanische Arbeit verrichtet werden und auch über diesen
Umweg Strom erzeugt werden.
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Die
Lichteintrittsplatte und die optische Einheit sind vorzugsweise,
wie dies grundsätzlich
bereits bekannt ist, als eine Einheit ausgeführt, indem nämlich die
Lichteintrittsplatte als Fresnellinse ausgeführt ist oder genauer eine Vielzahl
solcher Fresnellinsen (-Felder) aufweist. Vorzugsweise ist die Lichteintrittsplatte in
mehrere Felder aufgeteilt, denen jeweils eine Solarzelle zugeordnet
ist, wobei in jedem Feld eine Linsenstruktur die dort eintretende Lichtstrahlung
auf die jeweilige Solarzelle konzentriert.
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Die
Solarzellen sind weiter bevorzugt auf einer von der Lichteintrittsplatte
beabstandeten Grundplatte insbesondere rasterförmig angeordnet. Die Lichteintrittsplatte
und die Grundplatte können
die Oberseite und die Unterseite eines hermetisch geschlossenen
Gehäuses
bilden, wobei die Solarzellen im Inneren angeordnet sind. Dadurch
sind die Solarzellen gut vor äußeren Einflüssen, insbesondere
vor Schmutz, Feuchtigkeit oder dergleichen geschützt. Die in einem hermetisch
geschlossenen Gehäuse,
in das Licht einstrahlt, entstehende Wärme lässt sich durch die erfindungsgemäße Wärmeableitungsvorrichtung
leicht handhaben und abführen.
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Die
Wärmeableitvorrichtung
kann dann innerhalb des Gehäuses
angeordnet sein und beispielsweise durch eine mehrfach innerhalb
des Gehäuses
geführte
Rohrleitung eventuell mit Rippen oder Finnen gebildet sein.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist aber die Grundplatte aus einem wärmeleitfähigen Material ausgebildet,
um so die Wärme
aus dem Gehäuse aufzunehmen.
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Wenn
die Grundplatte aus einem sehr gut wärmeleitenden Material gebildet
ist, kann man dann durch Kontaktieren der Grundplatte mit dem Wärmeträgermedium
eine Kühlung
der Grundplatte und eine Übertragung
der Wärme
auf das Wärmeleitmedium erreichen.
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Hierzu
ist die Grundplatte bevorzugt Teil einer Wärmetauscheinheit zum Abführen der
Wärme von
der Grundplatte zu dem Wärmeträgermedium.
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Die
Grundplatte kann insbesondere auf die verschiedenen Arten ausgebildet
sein, wie dies bei Absorbern im einleitend erwähnten Stand der Technik zur
Solarthermie bekannt ist.
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Bevorzugt
sind Rohrleitungen für
das Wärmeträgermedium
ausgebildet, die mit der Grundplatte in Kontakt stehen oder auch
durch die Grundplatte führen
oder zumindest teilweise durch die Grundplatte gebildet werden.
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In
bevorzugter Ausgestaltung kann die Grundplatte auch mit Absorbermaterial
ausgestattet sein, wie sie aus der Solarthermie bekannt sind und in
der Beschreibungseinleitung näher
erläutert
sind.
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Demnach
kann die Wärmeableitvorrichtung einen
selektiven Absorber aufweisen, welcher kurzwellige Sonnenstrahlung,
beispielsweise Streulicht innerhalb des Gehäuses, aufnimmt, längerwellige Strahlung
aber absorbiert. Auf diese Weise strahlt der Absorber insbesondere
in das Gehäuse
hinein keine oder nur geringe Wärmestrahlung
ab, so dass die zur Verfügung
stehende Wärme,
insbesondere die in die Solarzellen eingeleitete Wärme über Kontaktwärmeleitung,
voll in das Wärmetnägermedium abgeführt werden
kann und der thermischen Nutzung zugeführt werden kann, wobei zusätzlich auch
noch Streulicht zur Wärmeerzeugung
ausnutzbar ist.
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Die
Grundplatte kann einstückig
aufgebaut sein, oder ist (bevorzugt) in mehrere Felder aufgeteilt,
mit Dehnfugen dazwischen. Eine gute Verteilung der Kühlwirkung
des Wärmeträgermediums
lässt sich
durch die gut leitende Grundplatte erreichen, so dass die Wärme von
jeder der rasterförmig
angeordneten Solarzellen abführbar
ist. Alternativ oder zusätzlich
hierzu kann man auch ein Rohrleitungssystem der Wärmeableitvorrichtung
derart vorsehen, dass das Wärmeträgermedium
zu jeder der Solarzellen zwecks Kühlung derselben und Abführung der Wärme zur
thermischen Nutzung hingeführt
wird.
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Die
Rohrleitungen können
hierzu serpentinenartig ausgebildet sein und/oder es können mehrere
Rohrleitungen vorgesehen sein, die an ihren beiden Enden in Sammelrohre
für den
Vorlauf und Rücklauf
des thermischen Nutzungssystem münden.
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In
besonders kostengünstiger
Ausführung wird
ein entsprechendes Leitungssystem einfach an der der Lichteintrittsfläche abgewandten
Seite des Absorbers bzw. der Grundplatte angebracht, insbesondere
geschweißt
oder gelötet.
Das Leitungssystem ist vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Kupfer,
ausgebildet, wie dies auch bei Solarthermieanlagen bekannt ist.
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Das
Wärmeträgermedium
wird vorzugsweise je nach gewünschter
thermischer Nutzung sowie gewünschter
Kühlwirkung
der Solarzellen ausgewählt.
Als Wärmeträgermedien
können
flüssige und/oder
gasförmige
Stoffe eingesetzt werden. Besonders einfach sind Flüssigkeiten
handzuhaben, die über
den gesamten zu erwartenden Temperaturbereich flüssig bleiben; beispielsweise
können
hier Wasser, Öle
oder Emulsionen eingesetzt werden, wie sie auch in Heizungssystemen
oder Kühlsystemen Verwendung
finden. Es ist aber auch möglich,
Wärmeträgermedien
einzusetzen, welche in der Wärmeableitungseinrichtung
verdunstet werden, um so die Verdunstungsenergie zur Kühlung der
Solarzellen einzusetzen. Das Wärmeträgermedium
wird dann im gasförmigen
Zustand der thermischen Nutzung zugeführt, wo es unter Verflüssigung
seine Wärmeenergie
wieder abgibt.
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Eine
entsprechende Anlage, die aus einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung sowie der
entsprechenden Vorrichtung zur Nutzung der thermischen Energie zusammengesetzt
ist, bildet den Gegenstand des Nebenanspruchs.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin
zeigt:
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1 eine
schematische teilweise Schnittansicht durch eine Anlage zur Nutzung
der Sonnenenergie mit einer Photovoltaik-Vorrichtung in Form eines
Konzentrator-Photovoltaik-Moduls und einer Vorrichtung zum Nutzen
thermischer Energie; und
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2 eine
perspektivische Ansicht einer in der Photovoltaik-Vorrichtung von 1 eingesetzten Wärmeableitungseinrichtung,
welche Wärmeenergie von
Solarzellen der Photovoltaik-Vorrichtung abführt und einer thermischen Nutzung
zuführt.
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In 1 ist
eine Anlage 10 zur Nutzung der Sonnenenergie dargestellt,
die eine Mehrzahl von Photovoltaik-Vorrichtungen in Form von Konzentrator-Photovoltaik-Modulen 12 (nur
ein solches Modul ist dargestellt) und wenigstens eine Vorrichtung 14 zur
thermischen Nutzung von durch die Konzentrator-Photovoltaik-Module 12 gelieferter
Wärmeenergie
aufweist.
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Jedes
Modul 12 weist ein Gehäuse 16 auf,
in dem eine Vielzahl von jeweils mit einer Solarzelle 20 versehenen
Photovoltaik-Einrichtungen 18 untergebracht ist. Jede Photovoltaik-Einrichtung 18 weist eine
optische Einheit in Form eines Fresnellinsenfeldes 22 sowie
die zugehörige,
von dem Fresnellinsenfeld 22 beabstandete Solarzelle 20 auf.
Das Fresnellinsenfeld 22 ist jeweils so ausgebildet, dass
es das durch ihre jeweilige Lichteintrittsfläche 24 eintretende Licht – graphisch
dargestellt durch Sonnenstrahlen 26 – auf die gegenüber der
Lichteintrittsfläche 24 viel kleinere
Solarzelle konzentriert. Beispielsweise beträgt die Fläche der Solarzelle 20 nur
ein Prozent der zugehörigen
Lichteintrittsfläche 24,
und die jeweilige Fresnellinsenstruktur konzentriert das durch die Lichteintrittsfläche 24 eintretende
Licht 100-fach auf die Solarzelle 20. Die einzelnen Photovoltaik-Einrichtungen 18 sind
rasterartig nebeneinander angeordnet. Hierzu sind die einzelnen
Fresnellinsenstrukturen als Felder 22 einer Lichteintrittsplatte 28 aus
Glas oder dergleichen lichtdurchlässigen Material ausgebildet.
Die Lichteintrittsplatte 28 bildet den oberen Abschluss
des Gehäuses 16.
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Das
Gehäuse 16 ist
seitlich durch Seitenwände 30 und
unten durch eine ein- oder
mehrteilige Grundplatte 32 abgeschlossen. Auf der Grundplatte 32 sind
die einzelnen Solarzellen 20 entsprechend dem Raster der
Fresnellinsenfelder 22 jeweils in deren Konzentrierungsflächen angeordnet.
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Die
Grundplatte 32 besteht hauptsächlich aus einem gut wärmeleitfähigen Material,
beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Auf der Grundplatte 32 sind zusätzlich einzelne
gegenüber
der Grundplatte elektrisch isolierte Leiterbahnen zur Kontaktierung
der Solarzellen 20 durch bekannte Techniken aufgebracht.
Diese Leiterbahnen 34 (siehe 2) sind
an den einen Pol der Solarzellen angeschlossen, während der
andere Pol der Solarzellen mit der Grundplatte 32 kontaktiert
ist.
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Neben
diesen elektrischen Eigenschaften zum Anschließen der Solarzellen 20 dient
die Grundplatte 32 aufgrund ihres wärmeleitfähigen Materials dazu, Wärme von
den Solarzellen 20 abzuleiten. Die Grundplatte 32 ist
somit Teil einer Wärmeableiteinrichtung 40,
die insgesamt in 2 dargestellt ist. Auf der der
Lichteintrittsfläche 28 abgewandten
Seite der Grundplatte 32 hat die Wärmeableiteinrichtung 40 ein
Leitungssystem mit Kupferrohrleitungen 44, durch welches
ein Wärmeträgermedium
wie insbesondere Wasser oder Öl
fließen
kann. Das Leitungssystem 42 ist insgesamt in 1 angedeutet.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist in unmittelbarer Nähe zu jeder
Reihe von Solarzellen 20 jeweils eine der Kupferrohrleitungen 44 geführt. Die
eine Mündung
jeder Kupferrohrleitung 44 mündet in ein Vorlauf-Sammelrohr 46 und
das andere Ende mündet
jeweils in ein Rücklauf-Sammelrohr 48.
Von dem Vorlauf-Sammelrohr 46 führt eine Vorlauf-Leitung 50 das Wärmeträgermedium 52 zu
der Vorrichtung 14 zur thermischen Nutzung, wo die Wärmeenergie
thermisch ausgenutzt wird. Als Vorrichtung 14 zur thermischen
Nutzung dient eine Heizung eines Gebäudes, eine Wassererwärmungsanlage
für Brauchwasser oder
dergleichen, eine Einrichtung zur Erzeugung von mechanischer Energie,
eine Klimaanlage oder Absorptionskälteanlage, die mittels Wärme betreibbar
ist, oder eine ähnliche
Vorrichtung. Die Aufzählung
von Beispielen für
solche Vorrichtungen 14 zur thermischen Nutzung ist nicht
abschließend.
In 1 ist diese Vorrichtung 14 daher nur
als Block dargestellt.
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Von
dieser Vorrichtung 14 zur thermischen Nutzung ist eine
Rücklauf-Leitung 54 zum
Rücklauf-Sammelrohr 48 geführt, wo
das Wärmeträgermedium 52 wiederum
auf die Vielzahl von Kupferrohrleitungen 44 verteilt wird.
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Wie
in 1 angedeutet, ist in dem Leitungssystem 42 wenigstens
eine geeignete Pumpeneinrichtung 56 zum Erhalt eines Kreislauf
des Wärmeträgermediums 52 durch
das Leitungssystem 42 vorgesehen. Die Mehrenergie für die Pumpeneinrichtung 56 kann
durch das Modul 12 oder durch die Vorrichtung 14 zur
thermischen Nutzung geliefert werden.
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Wie
in 1 dargestellt, kann die Grundplatte 32 mit
einer selektiven Beschichtung versehen sein, die zwar Lichtstrahlen
zur Absorption durch die Grundplatte 32 hindurchlässt, es
der Grundplatte 32 jedoch nicht gestattet, längerwellige
Wärmestrahlung wieder
zurück
in das Gehäuse 16 einzustrahlen.
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In
einer nicht dargestellten alternativen Ausgestaltung der Erfindung
kann an Stelle der auf der Rückseite
der Grundplatte 32 angeordneten Kupferrohrleitungen 44 auch
ein mitten durch die Grundplatte 32 geführtes Rohrsystem und/oder ein
durch das Gehäuse 16 geführtes Rohrsystem
vorgesehen sein (beides nicht dargestellt). Insbesondere in letzterem Fall
kann auch die Lichteintnittsfläche 24 der
Lichteintnittsplatte 28 mit der selektiven Beschichtung 60 versehen
sein. Die gesamte in das Gehäuse 16 eingestrahlte
Energie wird dann nur über
die Wärmeableitungseinrichtung 40 ausgetragen
und der thermischen Nutzung in der Vorrichtung 14 zugeführt.
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Weitere
hier nicht näher
dargestellte Ausführungsformen
ergeben sich dadurch, dass das Konzentnator-Photovoltaik-Modul 12 mit
einem oder mehreren der in den beiden nicht vorveröffentlichten deutschen
Patentanmeldungen 10 2005 033 272.2-33 und 10 2005 047 132.3-33
offenbarte Merkmale und Ausstattungen versehen sind. Es wird für weitere
Einzelheiten zu dem Konzentrator-Photovoltaik-Modul 12 ausdrücklich auf
diese beiden früheren,
nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldungen verwiesen.
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- 10
- Anlage
zur Nutzung der Sonnenenergie
- 12
- Konzentrator-Photovoltaik-Modul
(Photovoltaik-Vorrichtung)
- 14
- Vorrichtung
zur thermischen Nutzung
- 16
- Gehäuse
- 18
- Photovoltaik-Einrichtung
- 20
- Solarzelle
- 22
- Fresnellinsenfeld
(optische Einheit)
- 24
- Lichteintrittsfläche
- 26
- Sonnenstrahlen
- 28
- Lichteintrittsplatte
- 30
- Seitenwände
- 32
- Grundplatte
- 34
- elektrische
Leitungsbahnen
- 40
- Wärmeableitungseinrichtung
- 42
- Leitungssystem
- 44
- Kupferrohrleitung
- 46
- Vorlauf-Sammelrohr
- 48
- Rücklauf-Sammelrohr
- 50
- Vorlauf-Leitung
- 52
- Wärmeträgermedium
- 54
- Rücklauf-Leitung
- 56
- Pumpeneinrichtung
- 60
- selektive
Beschichtung