DE2924510A1

DE2924510A1 - Konzentrator fuer solarzellen

Info

Publication number: DE2924510A1
Application number: DE19792924510
Authority: DE
Inventors: Bernd Melchior
Original assignee: Imchemie Kunststoff GmbH
Current assignee: Imchemie Kunststoff GmbH
Priority date: 1979-06-18
Filing date: 1979-06-18
Publication date: 1981-01-08

Description

Konzentrator für Solarzellen
Die Erfindung betrifft einen Konzentrator (Kollektor) für Solarzellen mit einer oberhalb der Solarzelle etwa rechtwinklig zur Haupteinstrahlungsrichtung angeordneten, die Sonnenstrahlung bündelnden Fresnellinse, die zur Bündelung zumindest auf einer Seite stufenförmige Erhebungen aufweist.
Derartige Konzentratoren sind unter anderem aus dem Buch Sonnenenergie, Umschau-Verlag, Frankfurt, 1976, Seite 198, bekannt. Bei diesen bekannten Konzentratoren verschmutzen die Rillen bzw. die stufenförmigen Erhebungen der Fresnellinsen sehr leicht, so daß nach kurzer Zeit die Energieausbeute sich erheblich mindert. Eine besonders schnelle Verschmutzung entsteht dann, wenn die Fresnellinsen aus Kostengründen aus Kunststoff hergestellt sind, da Kunststoff Staub stark anzieht, der aus den Rillen nur noch schwer zu entfernen ist. Ferner können aus Kunststoff hergestellte Fresnellinsen nicht beliebig oft gereinigt werden, da durch die Reinigung die Fresnellinsen leicht zerkratzen und hierdurch nach einiger Zeit die Sonnenstrahlen zerstreuen.
Ein weiteres Problem besteht bei den bekannten Konzentratoren mit Fresnellinsen darin, daß der Abstand zwischen der Fresnellinse und der Solarzelle groß ist, so daß diese zu groß bauenden, viel Platz erfordernden Konstruktionen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Konzentrator der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß ein Verschmutzen der Fresnellinse nicht auftritt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, einen Konzentrator der eingangs genannten Art mit geringer Höhe zu schaffen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fresnellinse zumindest mit der Seite, die die stufenförmigen Erhebungen hat, in einer Schicht strahlendurchlässigen Kunststoffs oder Glases mit unterschiedlichem Brechungsindex gegenüber dem Material der Fresnellinse eingebettet ist.
Durch das Einbetten oder Eingießen einer Fresnelllinse in Kunststoff oder Glas werden die stufenförmigen Erhebungen bzw. Rillen der Fresnellinse ausgefüllt und eine glatte Oberfläche erreicht, die erheblich weniger verschmutzt. Ferner erreicht die die Fresnellinse umgebende Schicht an der zur Solarzelle hin gerichteten Unterseite eine zusätzliche Brechung der Lichtstrahlen, wenn an diese Seite eine Schicht geringerer optischer Dichte, wie z.B. Luft oder ein Kunststoff mit niedrigerem Brechungsindex, angrenzt.
Damit wird eine weitere Sammlung der Strahlung erreicht.
In einer Ausgestaltung schlägt die Erfindung vor, daß die Fresnelli#nse rundum in Kunststoff oder Glas eingebettet ist, so daß Gase oder Feuchtigkeit in die Grenzschicht zwischen Linse und Einbettung nicht eindringen kann. Vorzugsweise ist die Fresnellinse eine Sammellinse, deren Material einen größeren Brechungsindex (größere optische Dichte) aufweist als das Material, in dem die Fresnellinse eingebettet ist.
-Eine Verstärkung der Sammelwirkung wird dadurch erreicht, wenn die Fresnellinse zu beiden Seiten stufenförmige Erhebungen aufweist und/oder wenn mindestens eine weitere Fresnellinse unterhalb der ersten angeordnet ist. Dabei können alle Fresnellinsen in demselben Kunststoff- oder Glasmaterial eingegossen sein, wodurch eine Konstruktionsvereinfachung entsteht.
Eine besonders intensive und konstruktiv sehr einfache Bündelung der Strahlen wird dann erreicht, wenn zwischen der Kunststoff- oder Glasschicht, in der die Fresnellinse(n) eingebettet ist (sind) und der Solarzelle etwa parallel zu der oder den Fresnellinsen mindestens eine strahlendurchlässige Schicht aus Kunststoff oder Glas angeordnet ist, deren Material einen kleineren Brechungsindex (geringere optische Dichte) aufweist, als der die Linse(n) aufnehmende Schicht.
Dabei können zwischen der die Fresnellinse(n) aufnehmenden Schicht und der Solarzelle zwei oder mehr strahlendurchlässige Schichten aus Kunststoff oder Glas angeordnet sein, deren Brechungsindizes (deren optische Dichte) zur Solarzelle hin abnehmen.
Ein Sammeln der Streustrahlung als auch der bei sehr schrägem Sonnenstand einfallenden Strahlen wird dadurch erreicht, daß die zwischen Fresnellinse und Solarzelle befindliche Schicht(en) an den Stirnseiten abgeschrägt sind und zur Solarzelle hin verjüngend zulaufen. Dabei können die Stirnseiten mit einer optisch niedrig brechenden Schicht versehen oder verspiegelt sein.
Die Solarzelle kann auch zu ihrem Schutz in eine Kunststoff- oder Glasschicht eingegossen sein. Auf der Oberseite der Solarzelle kann eine prismenförmige Struktur und/oder eine Dendritenstruktur zum Einfangen schräger Strahlen angeordnet sein. Hierdurch wird eine weitere Erhöhung der Energieausbeute erreicht.
Die Solarzelle sollte oberhalb des Brennpunktes des Konzentrators angeordnet sein, so daß die Solarzelle nicht punktförmig sondern flächenförmig bestrahlt wird. Dabei kann die Fläche der Solarzelle kleiner sein als die Fläche intensiver Sonneneinstrahlung in Höhe der Solarzelle, wodurch auch bei der Sonne nicht nachgeführtem Konzentrator die Solarzelle über einen Großteil des Tages bestrahlt wird.
Ein gefälligeres äußeres Aussehen als auch geringere Reflexionen kann dadurch erreicht werden, daß mindestens eine der Kunststoff- oder Glas schichten mit einer Reflexe verringernden Beschichtung versehen ist. Hierzu können die Kunststoff- oder Glaschichten auch vollständig eingefärbt sein.
Eine hohe Lebensdauer und optisch hohe Qualitäten sind dann erreichbar, wenn der Kunststoff der einzelnen Schichten von Acrylglas gebildet wird.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Konzentrator in einer ersten Ausführungsart; Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine zweite Ausführungsart; und Fig. 3 ee perspektivische Ansicht eines Konzentrators mit Fresnell-Zylinderlinse.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Fresnellinse 1 in eine erste Schicht 2 aus Acrylglas rundum eingegossen, wobei die Oberseite dieser Schicht vollständig glatt ist, Die Fresnelllinse 1 kann entweder rund sein, so daß die stufenförmigen Erhebungen 3 und die dazwischen liegenden Rillen t rund und konzentrisch angeordnet sind, oder aber die Fresnellinse wirkt wie eine Zylinderlinse und ist langgestreckt, wobei Erhebungen 3 und Rillen 4 in Längsrichtung der Linse parallel und gerade angeordnet sind.
Das Kunststoffmaterial der ersten Schicht 2 weist einen geringeren Brechungsindex auf, als das der Fresnellinse 1, so daß die Lichtstrahlen von der als Sammellinse ausgebildeten Fresnellinse gebrochen werden und unterhalb der Linse nach innen gerichtet sind.
An die Unterseite der ersten Schicht 2 ist eine zweite Schicht 5 aus Acrylglas angegossen, an die wiederum eine dritte Schicht 6 und eine vierte Schicht 7 angegossen sind. Die Brechungsindizes bzw. die optischen Dichten dieser Schichten nehmen nach unten hin ab, so daß die durch die Fresnellinse 1 gebrochenen Strahlen von den Grenzschichten weiter verstärkt nach innen hin gebrochen werden.
In der untersten Acrylglasschicht 7 ist eine Hochleistungssolarzelle 8 eingegossen, die an ihrer Oberseite eine Dendritenstruktur 9 aufweist, um auch sehr schräg einfallende Strahlen aufzufangen.
Fresnellinse, Solarzelle und Kunststoff schichten sind zueinander parallel und rechtwinklig zur Haupteinstrahlungsrichtung 10 der Sonne. Die Schichten 2, 3 und 4 bilden seitlich Schrägen 11, die mit einem Reflexionsbelag beschichtet oder verspiegelt sein können. Ferner kann die Oberseite der ersten Schicht mit einer Reflexionen mindernden Schicht 11 versehen sein. Ein Einfärben einer oder aller Kunststoffschichten führt zu einer erheblichen äußerlichen Veränderung desKonzentrators. So kann bei einer leichten rötlichen oder bräunlichen Einfärbung die Farbe von Dachziegeln erreicht werden. Dabei kann dem gesamten Konzentrator einschließlich der Solarzelle die Form eines Dachziegels gegeben werden, so daß übliche Dachziegel gegen diese ausgetauscht werden können.
Das in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten im wesentlichen dadurch, daß die Fresnellinse 1a von einer Doppelsammellinse gebildet wird, und daß zwischen den die Hochleistungssolarzelle 8 und die Fresnellinse aufnehmenden Schichten drei Schichten 5, 6 und 6a angeordnet sind.
Unterhalb der seitlichen Stirnseiten der Schichten 2, 3, 3a und 4 sind in den im Querschnitt dreieckförmigen Längsräünen Aluminiumrohre 12 zur Kühlung angeordnet, wobei diese Räume hohl sein können oder von Kunststoff ausgefüllt sind. In dem Fall, in dem sie hohl sind, können sie auch insgesamt von Wasser zur Kühlung durchflossen werden. Das durch die Rohre 12 oder durch diese Räume fließende Kühlmittel (z.B. Wasser) kann zu Wärmezwecken genutzt werden.
Die Fresnellinse kann auch konvex oder konkav gewölbt sein (in der Zeichnung nicht dargestellt), um auch sehr schräg einfallende Sonnenstrahlen einfangen zu können und eine Totalreflexion dieser Strahlen zu vermeiden. Damit bildet die Fresnellinse einen Teil einer Zylinderwandung bzw. Zylinderfläche.

Claims

Ansprüche 1. Konzentrator für Solarzellen mit einer oberhalb der Solarzelle etwa rechtwinklig zur Haupteinstrahlungsrichtung angeordneten, die Sonnenstrahlung bündelnden Fresnellinse, die zur Bündelung zumindest auf einer Seite stufenförmige Erhebungen aufweist, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fresnellinse (t, la) zumindest mit der Seite, die die stufenförmigen Erhebungen (3) hat, in einer Schicht (2) strahlendurchlässigen Kunststoffs oder Glases mit unterschiedlichem Brechungsindex gegenüber dem Material der Fresnellinse eingebettet ist.
2. Konzentr nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Fresnellinse (1, la) rundum in Kunststoff oder Glas eingebettet ist.
3. Konzentr. nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fresnellinse (1, la) eine Sammellinse ist, deren Material einen größeren Brechungsindex (größere optische Dichte) aufweist als das Material, in dem die Fresnellinse eingebettet ist.
4. Kon#zentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r-c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fresnellinse (la) zu beiden Seiten stufenförmige Erhebungen aufweist.
5. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens eine weitere Fresnellinse unterhalb der ersten angeordnet ist.
6. Konzentr. nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß alle Fresnellinsen in dem selben Kunststoff- oder Glasmaterial eingegossen sind.
7. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der Kunststoff- oder Glasschicht (2), in der die Fresnellinse(n) (1, 1a) eingebettet ist (sind) und der Solarzelle (8) etwa parallel zu der oder den Fresnellinsen mindestens eine strahlendurchlässige Schicht (5, 6, 6a) aus Kunststoff oder Glas angeordnet ist, deren Material einen kleineren Brechungsindex (geringere optische Dichte) aufweist, als der die Linse(n) aufnehmende Schicht (2).
8. Konzentr. nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der die Fresnellinse(n) aufnehmenden Schicht (2) und der Solarzelle (8) zwei oder mehr strahlendurchlässige Schichten (5, 6, 6a) aus Kunststoff oder Glas angeordnet sind, deren Brechungsindizes (deren optische Dichte) zur Solarzelle hin abnehmen.
9. Konzentr. nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die zwischen Fresnellinse (1, 1a) und Solarzelle (8) befindliche Schicht(en) (5, 6, 6a) an den Stirnseiten abgeschrägt sind und zur Solarzelle hin verjüngend zulaufen.
10. Konzentr. nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Stirnseiten mit einer optisch niedrig brechenden Schicht versehen oder verspiegelt sind.
11. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Solarzelle (8) in eine Kunststoff- oder Glasschicht (7) eingegossen ist.
12. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf der Oberseite der Solarzelle (8) eine prismenförmige Struktur und/oder eine Dendritenstruktur (9) zum Einfangen schräger Strahlen angeordnet ist.
13. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Solarzelle (8) oberhalb des Brennpunktes des Kollektors angeordnet ist.
14. Konzentr. nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fläche der Solarzelle kleiner ist als die Fläche intensiver Sonneneinstrahlung in Höhe der Solarzelle.
15. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kunststoff- oder Glasschichten (2, 5, 6, 6a, 7) mit einer Reflexe verringernden Beschichtung (11) versehen ist.
16. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kunststoff- oder Glasschichten (2, 5, 6, 6a, 7) eingefärbt ist.
17. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Acrylglas ist.
18. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor etwa die Form eines Dachziegels aufweist.
19. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnellinse (1, 1a) innerhalb der Schicht (2) strahlendurchlässigen Kunststoffs oder Glases konvex oder konkav gewölbt ist.
20. Konzentr. nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß durch Hohlräume oder Rohre (12) des Konzentrators eine Kühlflüssigkeit fließt.
21. Konzentr. nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kühlflüssigkeit für Wärmezwecke genutzt wird.