WO2010012491A2 - Offenes verkapseltes konzentratorsystem für solarstrahlung - Google Patents

Offenes verkapseltes konzentratorsystem für solarstrahlung Download PDF

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WO2010012491A2
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Rüdiger LÖCKENHOFF
Andreas Bett
Maike Wiesenfarth
Rov Segev
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Zenith Solar Ltd.
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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention relates to an open concentrator system for solar radiation comprising a concave mirror and a photovoltaic module arranged in its focus of a plurality of solar cells, wherein the photovoltaic module is encapsulated by a housing.
  • the housing is designed so that it is at least in the region of the reflected by the concave mirror incident
  • Radiation has a transparent cover and that this transparent cover is spaced from the photovoltaic module, i. in the cone of incident radiation.
  • Focusing light is to reflect the solar radiation at appropriately aligned mirrors.
  • the radiation can be concentrated up to more than 1000 times.
  • the mirrors form a large, open concentrator system that tracks the position of the sun. For example, it is possible to use a 10 m 2 parabolic mirror, in the center of which is the densely packed concentrator module.
  • the Lajamanu power plant (Northern Territory) has installed concentrator systems since 2006, with a total mirror area of 129.7 m 2 and a photovoltaic receiver with a surface area of 0.235 m 2 (see, for example, "Performance and reliability of multijunction III-V Modules for concentrator dish and central receiver application "," Proceedings of the 4 th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion "2006 in Waikoloa, Hawaii, USA).
  • the solar radiation is concentrated 500 times in focus.
  • the module must be protected against the effects of the weather, ie, for example, against penetrating moisture and dust particles and against mechanical stress such as hail, rain. Therefore, the module must be covered on the front.
  • the material of the encapsulation must have the highest possible transmission and low absorption and reflection properties.
  • Conventional solar module encapsulations are realized by the use of transparent encapsulants and partly the module is sealed off with a glass plate (eg hardened, low-iron white glass). covers.
  • a glass plate eg hardened, low-iron white glass. covers.
  • the solar module In open concentrator systems, where the radiation is concentrated, for example, over large concave mirrors of 10 m 2 and more, the solar module with an area of cm 2 to several 100 cm 2 is located in a region with a very high light intensity.
  • the module consists of several solar cells, which are tightly packed in a small area.
  • the structure of the module is similar to a silicon flat module, except that in a concentrator module, the area is significantly smaller and the module will not be irradiated with 1 sun but about 1000 suns.
  • the concentrator solar module is usually provided with a very effective passive or active cooling.
  • the encapsulation of the photovoltaic module is penetrated by concentrated solar radiation.
  • the concentrator is tracked to the sun so that the focal point always lies on the photovoltaic cell during operation.
  • the radiation cone must be realigned. For this, the radiation cone must be led over the edge of the encapsulation. This means a particularly high thermal stress.
  • the silicone layer laminated on a glass layer should be at a concentration of 1000 times the solar radiation not exceed a thickness of a few tenths of a millimeter. This results in the following problems:
  • Silicone is susceptible to environmental influences (water, dirt). At the edge of the glass plate, the silicone is open at the side. Here, the silicone would have to be protected by a further potting compound. This is complicated by the thermal stresses. Proceeding from this, it is the object of the present invention to propose an encapsulation of a photovoltaic module in an open concentrator system, in which as much as possible overheating of the encapsulation material is avoided, so that thereby safe operation of a concentrator system is possible, ie Operation that ensures protection against the weather. Furthermore, a high light transmittance should be given with low absorption and low reflection.
  • the photovoltaic module is encapsulated in an open concentrator system by a housing, wherein the housing has a transparent cover at least in the region of the incident by the concave mirror incident radiation and that at least in the region of the transparent cover, the housing of the photovoltaic module of the transparent cover is spaced.
  • the photovoltaic module which is arranged in focus within the housing, is a photovoltaic module, as it is known per se from the prior art and consists of a plurality of solar cells, which are interconnected.
  • a plurality of chips, on each of which a multiplicity of solar cells are arranged can be used, for example 24 chips with 600 individual solar cells.
  • the solar cells of silicon or semiconductors of elements of the III. and V. Main Group of the Periodic Table and germanium. Particularly high efficiencies can be achieved with multiple solar cells, in which several solar cells with different band gaps of the semiconductor are grown on top of each other.
  • the photovoltaic module is normally provided with electrical connections which are led to the outside.
  • a parabolic mirror is preferably used.
  • This configuration and arrangement of the solar module within the housing according to the invention now ensures that the housing surrounding the solar module and here the transparent cover is not in the focus of the reflected radiation of the concave mirror, but in the cone.
  • the transparent cover of the housing is in the radiation cone, a lower radiation density in the transparent cover is also given.
  • the temperature in the encapsulation is significantly reduced compared to the temperature which occurs in the focus of the reflected rays, ie in the case of the photovoltaic module.
  • a temperature only sets in when a glass plate is actually in thermal equilibrium at this point.
  • the transparent cover for example, glass, whereby a high light transmittance and a low absorption and low reflection is achieved.
  • a further advantage of the invention is the fact that the solar module is completely encapsulated by the housing so that protection from weathering, dust, dirt, rain, moisture speed and hail.
  • the hermetic encapsulation also allows for evacuation or pressure reduction. These measures prevent overpressure during heating of the enclosed gas.
  • the encapsulation can be filled with an inert gas that prevents chemical reactions, such as oxidation.
  • the encapsulation with inert gas can be placed under a slight overpressure. In the case of slight leakage, gas would escape, but no moist air would be drawn into the encapsulation from the outside. Because of the problem described above, it is important that a surge tank be mounted in this construction.
  • the distance between the transparent cover of the housing and the photovoltaic module is advantageously chosen such that the light intensity of the incident radiation in the region of the transparent cover of the housing is at least a factor of 2, preferably a factor of 3, particularly preferably a factor 5, and most preferably by a factor of 10 smaller than in the region of the focus in the photovoltaic module.
  • the distance is advantageously made so that the material of the encapsulation withstands the increased temperatures during the irradiation. If the transparent cover is e.g. out
  • the housing with the photovoltaic module if necessary with cooling, is fastened to the concave mirror via a support so that an exact adjustment in the cone of the reflected radiation from the concave mirror is possible.
  • the case itself and also the transparent cover be made of glass.
  • each glass housing can be used and the photovoltaic module can be arranged in the glass housing according to the conditions mentioned above. loading It is preferred if the glass housing is designed in the form of a glass bulb.
  • the glass is preferably a borosilicate glass, a quartz glass or a glass ceramic. In the embodiment described above, therefore, the glass is in the radiation cone, ie in the region of low radiation density and thus outside of the focus.
  • the use of a glass bulb with a curved surface brings with it the further advantage that the radiation thereby occurs approximately orthogonally on the glass surface and thus is little deflected or reflected.
  • a light beam is not deflected, but only offset. Reflection is a challenge in the encapsulation techniques presented here and increases even when the light is shallow. Therefore, here is the curved, transparent front cover of advantage.
  • the electrical connections and possibly cooling water supply lines are provided with a radiation contactor and can, for example, be led to the outside via a glass tube fused to the piston.
  • the housing is formed by a non-transparent, opaque housing wall and a transparent cover used in the region of the incident radiation.
  • "Opaque" in the physical sense means “cloudy” or “not completely transparent.”
  • completely opaque side walls are also conceivable.
  • the housing and / or the transparent cover can here be double-walled to form a cooling water circuit Use of a cooling water circuit and thus cooling of the housing and / or the transparent cover will continue to ensure a significant temperature reduction. guaranteed.
  • the side walls need not necessarily be double-walled, but can also be traversed by cooling channels.
  • a passive cooling of the opaque side walls by convection and radiation is conceivable.
  • the transparent cover can also be made of glass, preferably of borosilicate glass, again for this case.
  • the non-transparent opaque housing wall is preferably made of metal, such as aluminum or copper.
  • a favorable geometrical embodiment is a double-walled tube to whose
  • An advantage of this embodiment is the fact that the cooling water circuit for the housing and the transparent cover can also be combined with a possibly existing cooling water circuit for the photovoltaic module, i. a common cooling circuit is used for the photovoltaic module and the housing with the transparent cover.
  • the opaque cover may also differ from the cylindrical shape. It is not necessarily double-walled but can also be provided with cooling channels for a cooling circuit. Likewise, a purely passive cooling by radiation and convection is possible. The active cooling of the opaque cover or the opaque housing may also be useful if the transparent front cover is made single-walled.
  • the opaque parts of the housing can also have a reflective coating which reduces the heat input into the housing wall by reflection of the incident light to the outside.
  • the interior of the housing can be filled eg with inert gas or else evacuated. actually However, exclusion of oxygen is not absolutely necessary, but moisture exclusion in the encapsulation is advantageous.
  • a drying agent such as silica gel
  • this desiccant has a limited ability to absorb water, it releases the moisture again at high temperature and can thus be regenerated, for example, during operation of the concentrator system.
  • a container with silica gel could be attached to the encapsulation in such a way that it heats up considerably during operation of the concentrator system. Proper regulation of air exchange can ensure that the air passes the hot silica gel on its way out, taking moisture with it.
  • the air should pass cold silica gel and be dried.
  • the control of the air flow can be actively controlled by solenoid valves. It is also a passive control over bimetallic and check valves conceivable.
  • the desiccant can also be accommodated in the air supply or removal of the housing.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of an open concentrator system according to the invention.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of a housing with a photovoltaic module in the form of a glass bulb
  • FIG. 3 shows a housing in a double-walled embodiment with a glass pane inserted
  • FIG. 4 shows two photovoltaic modules with rectangular or round shape and densely packed photovoltaic cells, heat exchangers and cooling water connections,
  • Figure 5 shows a cross section of the electrical
  • FIG. 6 shows the encapsulation of a rectangular one
  • FIG. 7 shows the encapsulation of a round module.
  • FIG. 1 shows schematically in section the structure of an open concentrator system according to the invention
  • the concentrator system 15 consists in the example of the embodiment of Figure 1 from a concave mirror 5, which acts as a concentrator.
  • the rays incident on the concentrator are denoted by 6 and the reflected rays by 7.
  • the housing 4 is formed in the example of Figure 1 in the form of a glass bulb.
  • the photovoltaic module 1 is arranged in the housing 4 in the form of a glass bulb in the focus of the reflected beams.
  • the housing 4 with arranged in the housing
  • Photovoltaic module 1 is attached via a carrier 8 on the concentrator (concave mirror) 5.
  • the photovoltaic module 1 consists of several solar cells, which are mounted on a heat sink and has electrical connections see 9 (see Figure 2), via which the produced current is removed.
  • the arrangement of the photovoltaic module 1 in the housing 4, here in the glass bulb, is shown in detail in FIG.
  • the photovoltaic module 1 is then protected by a glass cover 4.
  • the glass lies in the radiation cone, with a lower radiation density prevailing here than on the surface of the solar cells.
  • the glass protection is characterized by a curved surface. As a result, the radiation 7 strikes the glass surface approximately orthogonally in the entire region of the glass protection and is deflected or reflected so little.
  • the electrical connections and cooling water supply lines 9 are provided with a radiation protection and can, for example, be led to the outside via a glass tube fused to the bottom.
  • a concentration of 200 suns on the wall of the glass bulb with a wall thickness of 6 mm borosilicate glass can be used for the encapsulation.
  • Borosilicate glass is less expensive than quartz glass. This means that the encapsulation can also be realized cost-effectively.
  • a hermetic sealing of the encapsulation precludes the introduction of moisture, which leads to precipitation on the glass surface and degradation of the encapsulant
  • Photovoltaic module 1 can lead.
  • the glass bulb of the housing 4 is connected in the embodiment of Figure 2 via a connecting tube with the carrier 8 (see Figure 1) and the concentrator 5.
  • the carrier 8 metal is preferably used for the carrier 8 metal.
  • the fact that 8 metal is now used for the carrier and the housing 4 is made of glass, there is a glass-metal transition. Due to the low heat conduction in the glass and the fact that the flange is not directly in focus, the temperature in the flange is low. This results in low mechanical stresses the junction, which occur due to different thermal expansion coefficients of the two materials. The risk of breakage of the glass is thereby reduced.
  • FIG. 3 shows schematically in construction a second embodiment for forming the housing and the transparent cover.
  • cooling water flows between the two glass layers.
  • the cooling medium should be e.g. Deionized water can be used.
  • the cooling water line 12 can be connected to the cooling water connection of the heat sink 3 of the photovoltaic cells and thus forms a cooling water circuit. That is, the cooling water may e.g. first cool the photovoltaic cells 2 and then the encapsulation. The order is preferably chosen so that higher operating temperatures can occur in the encapsulation.
  • the cooling water temperature in the flow direction increases.
  • the temperature of the cooling water depends on the set volumetric flow of the cooling water inlet temperature and the temperatures in the components to be cooled.
  • the cooling water outlet temperature should be at least 80 0 C. It is true that higher temperatures result in more opportunities to use the thermal energy. However, a higher temperature in the photovoltaic cell also means a slight reduction in the efficiency and thus a reduced electrical input.
  • Another option is to separate the cooling water systems (encapsulation and photovoltaic module). This means that two cooling water circuits must be operated.
  • the photovoltaic module 1 is located in a module housing 11. Depending on the size, structure and material, it must also be water-cooled and it is additionally possible to obtain thermal energy. It can form an assembly of transparent material with the water-cooled front and thus the structure contributes only slightly to the shading on the mirror surface. This can be realized by having the photovoltaic module 1 e.g. is placed on a double-walled pipe. In addition, preferably, a hermetic metal-glass transition is constructive to implement, especially when the temperatures change frequently. The case can also be made of opaque material. Since so only a minimum proportion of radiation transmits, more thermal energy can be absorbed and used by the cooling water.
  • the photovoltaic module 1 is either rectangular or round.
  • the module 1 consists of densely packed concentrator cells 2 and a heat sink 13, ie a cooling element, via which the heat can be dissipated.
  • the geometric shape has at least two parallel but not necessarily plane-parallel surfaces A and B, which are located at a distance of a few millimeters.
  • the module may take the form of a rectangular prism or cylinder. In this case, the module 1 is mounted directly on the encapsulation bottom 13, which acts as a heat transfer medium. On the irradiated area A, concentrator solar cells 2 (not shown) are mounted.
  • the side A is penetrated by electrical conductors 9a, at least two form the positive and negative electrical contact of the module.
  • the conductors 9a are passed through the surfaces A and B and are electrically insulated from the module 1, mechanically fixed and thermally separated by a liquid-impermeable and electrically insulated intermediate layer of heat transfer medium, which is guided in the cooling water connections 9b.
  • the conductors 9a are gas-tightly connected to the surrounding structure.
  • the implementation of the electrical conductors through the photovoltaic module 1 and the surfaces A and B is shown in detail in Fig. 5, wherein the electrical insulation 14 of the conductors 9a is shown in detail.
  • the construction can be done this way be that the surface B (not irradiated side) provides access to the cooling water connections 9b and the electrical contacts 9a.
  • the encapsulation and the module are fastened together in a permanently shaded region, eg on the underside of the heat exchanger 13.
  • FIGS. 6 and 7 show in detail embodiments of the rectangular (FIG. 6) or round (FIG. 7) embodiments for the encapsulations of the photovoltaic modules, that is to say the components which enclose the photovoltaic module 1 and thus also the solar cells 2.
  • the solar cells 2 are not shown here, but are designed in accordance with the preceding embodiments and integrated into the concentrator system.
  • the housing 4 protects the cells from the environment and its foreign substances.
  • the encapsulating housing 4 can be made different, e.g. as an open bulb, box or cylinder and is connected to the photovoltaic module 1 via an airtight structure on the surface B.
  • the air-tight structure may be an integrated part of the module 1 or soldered together with the module 1, glued o.a. become. However, it may also be removable by mechanically holding the parts together (e.g., via glands) and sealing them with gaskets 15a and 15b (e.g., elastomeric rubber gaskets).
  • gaskets 15a and 15b e.g., elastomeric rubber gaskets.
  • the entire encapsulation is formed in principle by the housing 4 and a transparent front glass pane 16 or dome.
  • the enclosed space is either evacuated, filled with inert gas (preferably at low pressure as atmospheric pressure), air-filled, with the air conditioned (eg, drier), so that the quality is sufficient to avoid degradation of the structure, or gas-filled (eg, nitrogen) and equipped with a pressure equalization vessel to increase the pressure due to the volume expansion of the gas at elevated temperature arises (eg expansion vessel) compensate.
  • the encapsulation housing 4 may be made of metal.
  • the encapsulation fulfills the following conditions:
  • the mechanical strength of the housing is so great that structural rigidity of the housing is limited to external forces due to e.g. Wind of approx. 10 m / s and movement due to tracking of the concentrator is retained and can carry the weight of the photovoltaic module.
  • a correspondingly shadowed seal 15a serves as a seal between the window plate and the housing.
  • the plastic seal 15a is mounted so that the thermal expansion of the glass window is compensated, while the housing 4 is still closed gas-tight.
  • the seal 15a also minimizes the introduction of stresses by mechanical forces on the glass / housing.
  • the plastic seal 15a is cooled by the contact with the housing.
  • the plastic gasket 15a is positioned so that it is never exposed to concentrated radiation (e.g., by shading elements, not shown).
  • the housing 4 is constructed so that the shading of the concentrator mirror surface is minimized by the housing 4. 10.
  • the window plate 16 has a distance to the solar cells 2, so that the radiation intensity on the surface is reduced by at least a factor of 2 or more. This means that the glass surface 16 has at least twice the size of the entire surface of the solar cells 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein offenes Konzentratorsystem für Solarstrahlung umfassend einen Hohlspiegel und ein in dessen Fokus angeordnetes Photovoltaikmodul aus mehreren Solarzellen, wobei das Photovoltaikmodul durch ein Gehäuse verkapselt ist. Das Gehäuse ist dabei so ausgebildet, dass es mindestens im Bereich der durch den Hohlspiegel reflektierten einfallenden Strahlung eine transparente Abdeckung aufweist und dass diese transparente Abdeckung vom Photovoltaikmodul beabstandet ist, d.h. im Kegel der einfallenden Strahlung liegt.

Description

Offenes verkapseltes Konzentratorsystem für Solarstrahlung
Die Erfindung betrifft ein offenes Konzentratorsystem für Solarstrahlung umfassend einen Hohlspiegel und ein in dessen Fokus angeordnetes Photovoltaikmodul aus mehreren Solarzellen, wobei das Photovoltaikmodul durch ein Gehäuse verkapselt ist. Das Gehäuse ist dabei so ausgebildet, dass es mindestens im Bereich der durch den Hohlspiegel reflektierten einfallenden
Strahlung eine transparente Abdeckung aufweist und dass diese transparente Abdeckung vom Photovoltaikmodul beabstandet ist, d.h. im Kegel der einfallenden Strahlung liegt.
Sogenannte offene Konzentratorsysteme für Solarstrahlung zur Stromnutzung gewinnen in jüngster Zeit zunehmend an Bedeutung. Derartige offene Konzentratorsysteme sind insbesondere für Photovoltaikanwendungen interessant, wo hochkonzentrierte Solarstrahlung auf eine kleine Fläche fokussiert wird. Im Fokuspunkt befinden sich viele Solarzellen, die zu einem dicht gepackten Photovoltaikmodul verschaltet sind. Die Fläche des Solarzellenmoduls liegt in der Größenordnung von cm2 bis einige 100 cm2. Eine Möglichkeit das
Licht zu konzentrieren ist, die Solarstrahlung an entsprechend ausgerichteten Spiegeln zu reflektieren. Dabei kann die Strahlung bis über 1000-fach konzentriert werden. Die Spiegel bilden ein großes, offenes Konzentratorsystem, das dem Stand der Sonne nachgeführt wird. Es kann z.B. ein ca. 10 m2 großer Parabolspiegel eingesetzt werden, in dessen Zentrum sich das dicht gepackte Konzentratormodul befindet. Im La- jamanu-Kraftwerk (Northern Territory) sind seit 2006 Konzentratorsysteme installiert, deren Holspiegel eine Fläche von 129,7 m2 und der Photovoltaikreceiver eine Fläche von 0,235 m2 haben (siehe z.B. „Performance and reliability of multijunction III-V Modules for concentrator dish and central receiver applicati- on", „Proceedings of the 4th World Conference on Pho- tovoltaic Energy Conversion" 2006 in Waikoloa, Hawaii, USA) . Die Solarstrahlung ist im Fokus 500- fach konzentriert .
Das Modul muss dabei aber vor Witterungseinflüssen geschützt werden, d.h. zum Beispiel vor eindringender Feuchtigkeit und Staubpartikel und vor mechanischer Beanspruchung wie z.B. Hagel, Regen. Daher muss das Modul frontseitig abgedeckt werden. Um Einstrahlungs- Verluste gering zu halten, muss das Material der Ver- kapselung möglichst hohe Transmissions- und geringe Absorptions- und Reflexionseigenschaften aufweisen. Herkömmliche Solarmodulverkapselungen werden durch den Einsatz von transparenten Vergussmassen reali- siert und teilweise wird das Modul mit einer Glasplatte (z.B. gehärtetes, eisenarmes Weißglas) abge- deckt. Wie in Dlaz, V., Perez, J. M., Algora, C, A- lonso, J. „Outdoor characterisation of GaAs solar cell under tilted light for its encapsulation inside optic concentrators" Isofoton (Spain) , 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2001, Deutschland beschrieben, wird z.B. PMMA Polymethylmethacry- lat als Vergussmasse verwendet. Oder das Modul wird mit Folien einlaminiert (z.B. Ethylen-Vinyl- Acetat (EVA) -Schmelzklebefolie (Dr. Stollwerck, G. „ Kunststoffverkapselung für Solarmodule", Bayer Polymers AG, Leobener Symposium Polymerie solar materi- als, Deutschland, 2003) . Das sind jedoch Anwendungen, bei denen ein Flachmodul mit nicht-konzentrierter Sonnenstrahlung (1 Sonne) oder schwach konzentriertem Sonnenlicht (bis ca. 20 Sonnen) bestrahlt wird.
Im Stand der Technik sind weiterhin Konzentrator- systeme bekannt, bei denen Linsen für die Konzentration der Solarstrahlung verwendet wird. Bei diesen Anwendungen wird das Modul allerdings über die Linse verkapselt, d.h. es handelt sich demnach um geschlossene Konzentratorsysteme, bei denen der Luftraum zwischen dem Modul und dem Konzentrator vollständig verkapselt ist. Die Verkapselung befindet sich somit nicht in einem Bereich mit hoch konzentriertem Sonnenlicht .
Bei offenen Konzentratorsystemen, wo die Strahlung z.B. über große Hohlspiegel von 10 m2 und mehr kon- zentriert wird, liegt das Solarmodul mit einer Fläche von cm2 bis einigen 100 cm2 in einem Bereich mit sehr hoher Lichtintensität. Das Modul besteht aus mehreren Solarzellen, die dicht gepackt auf kleiner Fläche verschaltet werden. Der Aufbau des Moduls ist einem Silizium-Flachmodul ähnlich, nur dass bei einem Kon- zentratormodul die Fläche deutlich kleiner ist und das Modul nicht mit 1 Sonne sondern ca. 1000 Sonnen bestrahlt werden. Um ein Überhitzen zu vermeiden, ist das Konzentratorsolarmodul in der Regel mit einer sehr effektiven passiven oder aktiven Kühlung verse- hen.
Im Gegensatz zu geschlossenen Konzentratorsystemen wird bei offenen Systemen die Verkapselung des Photo- voltaikmoduls von konzentrierter Solarstrahlung durchstrahlt. Der Konzentrator wird der Sonne nachgeführt, so dass der Fokuspunkt während des Betriebs immer auf der Photovoltaikzelle liegt. Unter bestimmten Bedingungen (z.B. beim Starten des Betriebs, am Morgen oder nach einem Ausfall des Nachführsystems) muss der Strahlungskegel neu ausgerichtet werden. Dazu muss der Strahlungskegel über den Rand der Verkapselung geführt werden. Dies bedeutet eine besonders hohe thermische Beanspruchung.
Um Effizienzverluste des Systems gering zu halten, muss eine hohe Transmission der Solarstrahlung durch die Verkapselung gewährleistet sein. Des Weiteren wird Wärme in der Verkapselung absorbiert, was bei der Konstruktion und Auswahl der Materialien beachtet werden muss. Die Abschattung der Spiegelfläche soll durch die Verkapselung möglichst nicht erhöht und der Strahlengang nicht gebrochen werden.
Eine mögliche Verkapselung des Moduls, um die vorste- hend genannten Probleme zu beseitigen mit einer dünnen Glasscheibe, die noch ggf. mit einer dünnen Schicht einer Vergussmasse, wie z.B. Silikon, versehen ist, bringt aber ebenfalls Nachteile mit sich. Um die Gefahr der Überhitzung zu vermeiden, sollte die auf einer Glasschicht auflaminierte Silikonschicht bei einer 1000-fachen Konzentration der Solarstrah- lung eine Dicke von einigen Zehntel Millimetern nicht überschreiten. Hierdurch ergeben sich dann folgende Probleme :
• Herkömmlich eingesetzte transparente Vergussmassen sind typischerweise temperaturbeständig bis max. 200 0C. Die Kühlung der Vergussmasse müsste über das gekühlte, dicht gepackte Modul erfolgen. Transparente Vergussmassen haben eine geringe Wär- meleitfähigkeit . Z.B. hat das hochtransparent Silikon „Dow Comings Sylgard 184" einen Wärmeleitfähigkeitkoeffizienten von 0,18 W/ (m*K) . Eine Schichtdicke von mehreren Zehnteln Millimetern könnte eine nicht mehr ausreichende Kühlung und ein Überhitzen zur Folge haben. Dies hätte eine Verfärbung, Zersetzung oder Verbrennen der Vergussmasse zur Folge.
• Es treten erhebliche Spannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnung auf. Der lineare Aus- dehnungskoeffizient von Silikon ist höher als der von Glas (z.B. „Dow Comings Sylgard 184" 330 10"6 l/K und im Vergleich zu 3 , 3 10"6 l/K von Borosili- katglas (siehe http : //www. duran-group . com/english/ products/duran/properties/physik . html ) . Dies führt zu einem Heben und Senken der Glasplatte und erschwert eine zusätzliche, seitliche Verkapselung der Glasplatte, des Solarmoduls und der Verguss- masse. Weiterhin führen die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Glasplatte und Ver- gussmasse (Silikon) zu Scherspannungen im Silikon.
• Silikon ist anfällig gegen Umwelteinflüsse (Wasser, Schmutz) . Am Rand der Glasplatte liegt das Silikon seitlich offen. Hier müsste das Silikon durch eine weitere Vergussmasse geschützt werden. Dies wird durch die thermischen Spannungen erschwert . Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verkapselung von einem Photovoltaik- modul in einem offenen Konzentratorsystem vorzuschla- gen, bei dem möglichst eine Überhitzung des Verkapse- lungsmaterials vermieden wird, so dass dadurch ein sicherer Betrieb eines Konzentratorsystems möglich ist, d.h. ein Betrieb, der Schutz vor Witterungseinflüssen gewährleistet. Weiterhin sollte eine hohe Lichtdurchlässigkeit bei geringer Absorption und geringer Reflexion gegeben sein.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf .
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, dass das Photovoltaikmodul in einem offenen Konzentratorsystem durch ein Gehäuse verkapselt ist, wobei das Gehäuse mindestens im Bereich der durch den Hohlspiegel reflektierten einfallenden Strahlung eine transparente Abdeckung aufweist und dass mindestens im Bereich der transparenten Abdeckung das Gehäuse des Photovoltaik- moduls von der transparenten Abdeckung beabstandet ist.
Das Photovoltaikmodul, das im Fokus innerhalb des Ge- häuses angeordnet ist, ist ein Photovoltaikmodul, wie es an und für sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und besteht aus mehreren Solarzellen, die miteinander verschaltet sind. Beispielsweise können mehrere Chips, auf denen je eine Vielzahl von Solarzellen an- geordnet ist, verwendet werden, z.B. 24 Chips mit 600 einzelnen Solarzellen. Bevorzugt bestehen die Solar- zellen aus Silizium oder Halbleitern aus Elementen der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Germanium. Besonders hohe Wirkungsgrade können mit Mehrfachsolarzellen erzielt werden, bei denen mehrere Solarzellen mit verschiedenen Bandlücken des Halbleiters übereinander gewachsen sind. Wie ebenfalls bereits im Stand der Technik schon bekannt, ist das Photovoltaikmodul normalerweise mit elektrischen Anschlüssen versehen, die nach außen geführt werden.
Beim Hohlspiegel, der beim offenen Konzentratorsystem nach der Erfindung eingesetzt wird, wird bevorzugt ein Parabolspiegel verwendet.
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung des Solarmoduls innerhalb des Gehäuses wird nun erreicht, dass das das Solarmodul umgebende Gehäuse und hier die transparente Abdeckung nicht im Fokus der reflektierten Strahlung des Hohlspiegels liegt, son- dern im Kegel. Dadurch, dass nun die transparente Abdeckung des Gehäuses im Strahlungskegel liegt, ist auch eine geringere Strahlungsdichte bei der transparenten Abdeckung gegeben. Die Temperatur in der Ver- kapselung wird dadurch gegenüber der Temperatur, die im Fokus der reflektierten Strahlen, d.h. beim Photo- voltaikmodul, aufträte, deutlich reduziert. Eine Temperatur stellt sich nur dann ein, wenn sich an dieser Stelle tatsächlich eine Glasplatte im thermischen Gleichgewicht befindet. Damit ist es auch möglich, für die transparente Abdeckung z.B. Glas auszuwählen, wodurch eine hohe Lichtdurchlässigkeit und eine geringe Absorption sowie geringe Reflektion erreicht wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch das Gehäuse das Solarmodul voll- ständig abgekapselt ist, so dass auch Schutz vor Wit- terungseinflüssigen, Staub, Dreck, Regen, Feuchtig- keit und Hagel gegeben ist. Die hermetische Verkapse- lung erlaubt außerdem eine Evakuierung oder eine Druckabsenkung. Durch diese Maßnahmen wird ein Überdruck beim Aufheizen des eingeschlossenen Gases ver- mieden. Außerdem kann die Verkapselung mit einem Inertgas befüllt werden, das chemische Reaktionen, wie beispielsweise Oxidation verhindert.
Alternativ kann die Verkapselung mit Inertgas unter einen leichten Überdruck gesetzt werden. Bei leichter Leckage würde Gas austreten, aber keine feuchte Luft von außen in die Verkapselung gezogen. Wegen des oben beschriebenen Problems ist es wichtig, dass bei dieser Konstruktion ein Druckausgleichsgefäß angebracht wird.
Der Abstand zwischen der transparenten Abdeckung des Gehäuses und dem Photovoltaikmodul wird vorteilhaft- erweise so gewählt, dass die Lichtintensität der ein- fallenden Strahlung im Bereich der transparenten Abdeckung des Gehäuses mindestens um den Faktor 2, bevorzugt um den Faktor 3, besonders bevorzugt um den Faktor 5 , und ganz besonders bevorzugt um den Faktor 10 kleiner ist als im Bereich des Fokus beim Photo- voltaikmodul .
Die genaue Auswahl des Abstands wird vorteilhafterweise so vorgenommen, dass das Material der Verkapselung den erhöhten Temperaturen bei der Bestrahlung standhält. Wenn die transparente Abdeckung z.B. aus
Glas gebildet ist und die bestrahlte Glasfläche die fünffache der Fläche im Fokus beträgt, reduziert sich die Strahlungsintensität entsprechend auf 1/5. Dadurch reduziert sich auch der Wärmeeintrag entspre- chend. Bei einer Konzentration von 1000 Sonnen im Fokus beträgt die Strahlungskonzentration 200 Sonnen auf der Glasfläche. Simulationsberechnungen ergaben eine Reduktion der Temperatur im Glas von 270 K.
Bei einer Absorption des Sonnenlichts von 5 %, einem Infrarotemissionsgrad α von 0,9 und der Strahlungsintensität von 1000 kW/m2 ergibt sich eine Temperatur in der transparenten Abdeckung im Beispielsfall aus Glas von 567 0C. Bei gleich bleibenden Materialeigenschaften und der Strahlungsintensität von 200 kW/m2 berechnet sich die Temperatur auf 297 0C. Als Berechnungsgrundlage dient das Prinzip einer Glasscheibe im Strahlungsgleichgewicht. Wärmeübertragung durch Kon- vektion wird vernachlässigt. Die Glasscheibe absorbiert wenig im spektralen Bereich des Sonnenlichts. Sie verhält sich als nahezu schwarzer Strahler für die Energieabstrahlung im Infraroten. Die Abstrahlung an der Glasscheibe erfolgt in beiden Richtungen. Entsprechend dieser Berechnung könnte deshalb z.B. bei dem Abdeckungsmaterial Borsilikatglas als Verkapse- lungsmaterial verwendet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Konzentratorsystem ist es weiterhin bevorzugt, wenn das Gehäuse mit dem Photo- voltaikmodul ggf. mit Kühlung über einen Träger am Hohlspiegel befestigt ist, so dass dadurch eine exakte Justierung im Kegel der reflektierten Strahlung aus dem Hohlspiegel möglich ist.
In Bezug auf die Ausbildung des Gehäuses mit der transparenten Abdeckung wird gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass das Gehäuse selbst und auch die transparente Abdeckung aus Glas bestehen. Für diese Ausführungsform kann somit jedes Glasgehäuse verwendet werden und das Photo- voltaikmodul in dem Glasgehäuse entsprechend den vorstehend genannten Bedingungen angeordnet werden. Be- vorzugt ist es dabei, wenn das Glasgehäuse in Form eines Glaskolbens ausgebildet ist. Beim Glas handelt es sich dabei bevorzugt um ein Borsilikatglas, ein Quartzglas oder eine Glaskeramik. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform befindet sich somit das Glas im Strahlungskegel, d.h. im Bereich geringer Strahlungsdichte und damit außerhalb des Fokusses . Die Verwendung eines Glaskolbens mit einer gekrümmten Oberfläche bringt noch den weiteren Vorteil mit sich, dass dadurch die Strahlung annähernd orthogonal auf die Glasoberfläche auftritt und somit wenig abgelenkt oder reflektiert wird. Durch eine planparallele Glasplatte wird ein Lichtstrahl nicht abgelenkt, sondern lediglich versetzt. Die Reflexion ist eine Herausfor- derung bei den hier vorgestellten Verkapselungstech- niken und nimmt bei flachem Lichteinfall noch zu. Deshalb ist hier die gekrümmte, transparente Frontabdeckung von Vorteil . Die elektrischen Anschlüsse und ggf. Kühlwasserzuführungen sind mit einem Strahlungs- schütz versehen und können z.B. über ein am Kolben angeschmolzenes Glasrohr nach außen geführt werden.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse durch eine nicht- transparente, opake Gehäusewand und eine im Bereich der einfallenden Strahlung eingesetzte transparente Abdeckung gebildet ist. „Opak" bedeutet im physikalischen Sinne „trübe" bzw. „nicht vollständig transparent". Ebenso sind aber auch vollständig lichtun- durchlässige Seitenwände denkbar. Das Gehäuse und/oder auch die transparente Abdeckung kann hierbei doppelwandig unter Ausbildung eines Kühlwasserkreislaufs ausgebildet sein. Durch die Verwendung eines Kühlwasserkreislaufs und damit einer Kühlung des Ge- häuses und/oder der transparenten Abdeckung wird weiterhin eine deutliche Temperaturreduzierung gewähr- leistet. Die Seitenwände müssen dabei nicht unbedingt doppelwandig sein, sondern können auch von Kühlkanälen durchzogen sein. Auch eine passive Kühlung der opaken Seitenwände durch Konvektion und Strahlung ist denkbar. Die transparente Abdeckung kann auch für diesen Fall wieder aus Glas, bevorzugt aus Borsilikatglas bestehen. Die nicht-transparente opake Gehäusewand besteht bevorzugt aus Metall, wie z.B. Aluminium oder Kupfer. Eine günstige geometrische Ausfüh- rungsform ist ein doppelwandiges Rohr, an dessen
Stirnseiten dann für den Fall mit der Wasserkühlung eine doppelwandige Abdeckung angebracht ist . Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, dass der Kühlwasserkreislauf für das Gehäuse und die transparente Abdeckung auch mit einem ggf. vorhandenen Kühlwasserkreislauf für das Photovoltaikmodul kombiniert werden kann, d.h. es wird ein gemeinsamer Kühlkreislauf für das Photovoltaikmodul und das Gehäuse mit der transparenten Abdeckung verwendet. Selbstverständlich kann die opake Abdeckung auch von der Zylinderform abweichen. Sie ist nicht zwangsläufig doppelwandig sondern kann auch mit Kühlkanälen für einen Kühlkreislauf versehen sein. Ebenso ist eine rein passive Kühlung durch Strahlung und Konvekti- on möglich. Die aktive Kühlung der opaken Abdeckung bzw. des opaken Gehäuses kann auch dann sinnvoll sein, wenn die transparente Frontabdeckung einwandig ausgeführt ist.
Die opaken Teile des Gehäuses können ebenso eine re- flektive Beschichtung aufweisen, die den Wärmeeintrag in die Gehäusewand durch Reflexion des einfallenden Lichtes nach außen reduziert.
Der Innenraum des Gehäuses kann dabei z.B. mit Inertgas gefüllt oder aber auch evakuiert sein. Tatsäch- lieh ist jedoch Sauerstoffausschluss nicht unbedingt erforderlich, jedoch Feuchtigkeitsausschluss in der Verkapselung vorteilhaft. Dazu kann ein Trocknungsmittel, wie z.B. Silica-Gel, verwendet werden, das in das Gehäuse eingebracht ist . Dieses Trocknungsmittel hat zwar eine begrenzte Wasseraufnahmefähigkeit, gibt jedoch die Feuchtigkeit bei hoher Temperatur wieder ab und kann somit beispielsweise im Betrieb des Kon- zentratorsystems regeneriert werden. Dazu könnte bei- spielsweise ein Behälter mit Silica-Gel derart an der Verkapselung angebracht werden, dass es sich beim Betrieb des Konzentratorsystems stark erwärmt. Eine geeignete Regelung des Luftaustauschs kann sicherstellen, dass die Luft auf dem Weg nach außen das heiße Silica-Gel passiert und dabei Feuchtigkeit mitnimmt. Auf dem Weg in die Verkapselung sollte die Luft hingegen kaltes Silica-Gel passieren und dadurch getrocknet werden. Die Regelung des Luftstroms kann aktiv über Magnetventile gesteuert werden. Es ist auch eine passive Regelung über Bimetall- und Rückschlagventile denkbar. Das Trocknungsmittel kann ebenso in der Luftzu- oder -abfuhr des Gehäuses untergebracht sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines offenen Konzentratorsystems nach der Erfin- düng,
Figur 2 zeigt in vergrößerter Darstellung ein Gehäuse mit einem Photovoltaikmodul in Form eines Glaskolbens, Figur 3 zeigt ein Gehäuse in doppelwandiger Ausführungsform mit einer eingesetzten Glasscheibe,
Figur 4 zeigt zwei Photovoltaik-Module mit rechteckiger bzw. runder Form und dichtgepackten Photovoltaikzellen, Wärmeüberträger und Kühlwasseranschlüssen,
Figur 5 zeigt einen Querschnitt der elektrischen
Leiter, der durch Fläche A und B führt,
Figur 6 zeigt die Verkapselung eines rechteckigen
Moduls, und
Figur 7 zeigt die Verkapselung eines runden Moduls .
Figur 1 zeigt nun im Schnitt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen offenen Konzentratorsystems
15. Das Konzentratorsystem 15 besteht im Beispielsfall der Ausführungsform nach der Figur 1 aus einem Hohlspiegel 5, der als Konzentrator wirkt. In der Figur 1 sind die auf dem Konzentrator einfallenden Strahlen mit 6 und die reflektierten Strahlen mit 7 bezeichnet. Das Gehäuse 4 ist im Beispielsfall der Figur 1 in Form eines Glaskolbens ausgebildet. Das Photovoltaikmodul 1 ist im Gehäuse 4 in Form eines Glaskolbens im Fokus der reflektierten Strahlen ange- ordnet. Das Gehäuse 4 mit den im Gehäuse angeordneten
Photovoltaikmodul 1 ist dabei über einen Träger 8 am Konzentrator (Hohlspiegel) 5 befestigt. Das Photovoltaikmodul 1 besteht aus mehreren Solarzellen, die auf einem Kühlkörper angebracht sind und weist elektri- sehe Anschlüsse 9 auf (siehe hierzu Figur 2), über die der produzierte Strom abgenommen wird. Die Anordnung des Photovoltaikmoduls 1 im Gehäuse 4 , hier im Glaskolben, ist detailliert aus der Figur 2 zu entnehmen. Das Photovoltaikmodul 1 ist danach durch eine Glasabdeckung 4 geschützt. Wie aus der Figur 2 hervorgeht, liegt das Glas im Strahlungskegel, wobei hier eine geringere Strahlungsdichte als auf der Oberfläche der Solarzellen vorherrscht. Der Glasschutz zeichnet sich durch eine gekrümmte Oberfläche aus. Dadurch trifft die Strahlung 7 im gesamten Bereich des Glasschutzes annähernd orthogonal auf die Glasoberfläche und wird so wenig abgelenkt oder reflektiert. Die elektrischen Anschlüsse und Kühlwasserzuführungen 9 sind mit einem Strahlungsschutz ver- sehen und können z.B. über ein am Boden angeschmolzenes Glasrohr nach außen geführt werden. Bei einer Konzentration von 200 Sonnen auf der Wand des Glaskolbens von einer Wandstärke von 6 mm kann Borsilikatglas für die Verkapselung verwendet werden. Borsi- likatglas ist im Gegensatz zu Quarzglas kostengünstiger. Das bedeutet, dass die Verkapselung auch entsprechend kostengünstig realisierbar ist. Bei einer hermetischen Abdichtung der Verkapselung ist ein Feuchtigkeitseintrag ausgeschlossen, der zu Nieder- schlag auf der Glasoberfläche und Degradation des
Photovoltaikmoduls 1 führen kann. Der Glaskolben des Gehäuses 4 wird in der Ausführungsform der Figur 2 über ein Anschlussrohr mit dem Träger 8 (siehe hierzu Figur 1) und dem Konzentrator 5 verbunden. Für den Träger 8 wird bevorzugt Metall verwendet. Dadurch, dass nun für den Träger 8 Metall verwendet wird und das Gehäuse 4 aus Glas besteht, ergibt sich ein Glas- Metall-Übergang. Durch die geringe Wärmeleitung im Glas und dadurch, dass der Flansch nicht direkt im Fokus liegt, ist die Temperatur im Flansch gering. Dadurch entstehen geringe mechanische Spannungen an der Verbindungsstelle, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien auftreten. Die Gefahr eines Brechens des Glases ist dadurch reduziert.
Figur 3 zeigt nun schematisch im Aufbau eine zweite Ausführungsform zur Ausbildung des Gehäuses und der transparenten Abdeckung. Bei der Ausführungsform nach Figur 3, die hier ausschnittsweise im Schnitt darge- stellt ist, strömt zwischen den zwei Glasschichten 10 Kühlwasser. Um keine zusätzlichen Verluste zu erzeugen, sollte als Kühlmedium z.B. deionisiertes Wasser verwendet werden. Die Kühlwasserleitung 12 kann mit dem Kühlwasseranschluss des Kühlkörpers 3 der Photo- voltaikzellen verbunden werden und bildet somit einen Kühlwasserkreislauf. Das bedeutet, das Kühlwasser kann z.B. zuerst die Photovoltaikzellen 2 und anschließend die Verkapselung kühlen. Die Reihenfolge wird vorzugsweise so gewählt, da in der Verkapselung höhere Betriebstemperaturen auftreten können.
Da das Kühlwasser thermische Energie aufnimmt, steigt die Kühlwassertemperatur in Flussrichtung. Die Temperatur des Kühlwassers hängt ab vom eingestellten Vo- lumenstrom von der Kühlwassereintrittstemperatur und den Temperaturen in den zu kühlenden Komponenten. Um die thermische Energie nutzen zu können, sollte die Kühlwasseraustrittstemperatur mindestens 80 0C betragen. Dabei gilt, dass sich durch höhere Temperaturen mehr Möglichkeiten ergeben, die thermische Energie zu nutzen. Eine höhere Temperatur in der Photovoltaik- zelle bedeutet aber auch eine geringfügige Reduktion des Wirkungsgrades und somit einen verminderten e- lektrischen Eintrag. Eine weitere Möglichkeit des Aufbaus ist es, die Kühlwassersysteme (Verkapselung und Photovoltaikmo- dul) zu trennen. Das bedeutet, zwei Kühlwasserkreisläufe müssen betrieben werden.
Das Photovoltaikmodul 1 befindet sich in der Ausführungsform nach Figur 3 in einem Modulgehäuse 11. Abhängig von der Größe, Aufbau und Material muss es auch wassergekühlt sein und es kann zusätzlich ther- mische Energie gewonnen werden. Dabei kann es mit der wassergekühlten Frontseite eine Baugruppe aus transparentem Material bilden und damit trägt der Aufbau nur geringfügig zur Abschattung auf der Spiegelfläche bei. Dies kann dadurch realisiert werden, indem das Photovoltaikmodul 1 z.B. an einem doppelwandigen Rohr platziert wird. Außerdem ist vorzugsweise ein hermetischer Metall-Glas-Übergang konstruktiv zu realisieren, besonders wenn die Temperaturen häufig wechseln. Das Gehäuse kann auch aus opakem Material hergestellt werden. Da so nur ein minimaler Strahlungsanteil transmittiert , kann mehr thermische Energie vom Kühlwasser aufgenommen und genutzt werden.
Bei Kühlung der Verkapselung wird Strahlung im Kühl- wasser absorbiert. Dabei ist die Absorption im Bereich der infraroten Wellenlänge sehr hoch. Wellenlängen höher als die Energiebandlücke werden in den Photovoltaikzellen nicht genutzt, da die Energie der Strahlung nicht ausreicht, Elektronen im Valenzband des Halbleiters in das Leitungsband zu heben. Somit kann diese Strahlung nicht zur Stromproduktion genutzt werden. Durch Absorption im Kühlwasser kann die Energie jedoch zusätzlich zur thermischen Gewinnung genutzt werden, wodurch eine deutliche Effizienzstei- gerung und Gesamtenergieausbeute ermöglicht wird. In der Verkapselung entstehen weitere Strahlungsverluste durch Absorption und Reflexion in den Glas- schichten. Strahlungsverluste durch Reflexion können jedoch durch eine optional auf der Verkapselung auf- gebrachte Antireflexbeschichtung reduziert werden.
Spezielle Aufbauten des Photovoltaikmoduls 1 werden im Detail in Fig. 4 bis 7 dargestellt. Gemäß den Ausführungsformen der Fig. 4 ist das Photovoltaikmodul dabei entweder rechteckig oder rund. Das Modul 1 besteht aus dicht gepackten Konzentratorzellen 2 und einer Wärmesenke 13, also einem Kühlelement, über das die Wärme abgeführt werden kann. Die geometrische Form hat mindestens zwei parallele aber nicht notwen- digerweise planparallele Oberflächen A und B, die sich in einem Abstand von einigen Millimetern befinden. Das Modul kann die Form eines rechteckigen Prismas oder Zylinders haben. Dabei ist das Modul 1 direkt auf dem Verkapselungsboden 13, der als Wärme- Überträger fungiert, aufmontiert. Auf der bestrahlten Fläche A sind Konzentratorsolarzellen 2 (nicht dargestellt) angebracht. Die Seite A wird von elektrischen Leitern 9a durchdrungen, mindestens zwei bilden den positiven und negativen elektrischen Kontakt des Mo- duls. Die Leiter 9a sind durch die Oberflächen A und B geführt und sind vom Modul 1 elektrisch isoliert, mechanisch befestigt und thermisch durch eine flüssigkeitsundurchlässige und elektrisch isolierte Zwischenschicht von Wärmeträgermedium, das in den Kühl- Wasseranschlüssen 9b geführt wird, getrennt. Die Leiter 9a sind gasdicht mit dem umgebenden Aufbau verbunden. Die Durchführung der elektrischen Leiter durch das Photovoltaikmodul 1 und die Oberflächen A und B ist im Detail in Fig. 5 dargestellt, wobei die elektrische Isolation 14 der Leiter 9a detailliert aufgezeigt wird. Die Konstruktion kann so ausgeführt werden, dass die Fläche B (nicht bestrahlte Seite) den Zugang zu den Kühlwasseranschlüssen 9b und den elektrischen Kontakten 9a stellt. Die Verkapselung und das Modul sind dabei in einer permanent abge- schatteten Region miteinander befestigt, z.B. an der Unterseite des Wärmeüberträgers 13.
Die Figuren 6 und 7 zeigen detailliert Ausführungsformen der rechteckigen (Fig. 6) bzw. runden (Fig. 7) Ausführungsformen zu den Verkapselungen der Photovol- taikmodule, also den Bauteilen, die das Photovoltaik- modul 1 und somit auch die Solarzellen 2 umschließen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Solarzellen 2 hier nicht gezeigt, sind aber gemäß den voran- stehenden Ausführungen ausgestaltet und in das Kon- zentratorsystem integriert. Das Gehäuse 4 schützt die Zellen vor der Umgebung und seiner Fremdstoffe. Das Verkapselungsgehäuse 4 kann verschieden ausgeführt werden, z.B. als offene Birne, Box oder Zylinder und ist mit dem Photovoltaikmodul 1 über einen luftdichten Aufbau auf der Oberfläche B verbunden. Der luftdichte Aufbau kann ein integrierter Teil des Moduls 1 sein oder mit dem Modul 1 zusammen gelötet, geklebt o.a. werden. Er kann aber auch demontierbar sein, in- dem die Teile mechanisch zusammengehalten (z.B. über Verschraubungen) und über Dichtungen 15a und 15b (z.B. Gummidichtung aus einem Elastomer) abgedichtet werden. Der Übergang zwischen Gehäuse 4 und Modul 1 befindet sich in dem gekühlten Bereich des Wärmeüber- trägers,- daher ist keine zusätzliche Kühlung notwendig.
Die gesamte Verkapselung wird im Prinzip vom Gehäuse 4 und einer transparenten Frontglasscheibe 16 oder Kuppel gebildet. Der eingeschlossene Raum ist entweder evakuiert, mit Inertgas gefüllt (vorzugsweise bei niedrigem Druck als Atmosphärendruck) , luftgefüllt, wobei die Luft aufbereitet ist (z.B. Trockenapparat), so dass die Qualität ausreichend ist, um eine Degradation des Aufbaus zu vermeiden, oder gasgefüllt (z.B. Stickstoff) und mit einem Druckausgleichsgefäß ausgestattet, um den Druckanstieg, der durch die Volumenausdehnung des Gases bei erhöhter Temperatur entsteht (z.B. Ausdehnungsgefäß) auszugleichen.
Das Verkapselungsgehäuse 4 kann aus Metall gefertigt sein.
Die Verkapselung erfüllt folgende Bedingungen:
1. Sie hat ausreichende mechanische Stabilität: Die mechanische Festigkeit des Gehäuses ist so groß, dass strukturelle Steifigkeit des Gehäuses äußeren Kräften durch z.B. Wind von ca. 10 m/s und Bewegung durch Nachführung des Konzentrators er- halten bleibt und das Gewicht des Photovoltaik- moduls tragen kann.
2. Sie ist beständig gegen Solarstrahlung, die bis ungefähr 1000-fach konzentriert ist, ohne aktive Kühlung zu gewährleisten.
3. Sie hat gute Wärmeleitungseigenschaften (z.B. durch Behandlung der absorbierenden Oberflächen (Erhöhung der Reflexion, gute thermische Leitung) oder den Einsatz von Wärmeüberträgern) , dass die Wärme bei FehlJustierung oder Fehler/Ausfall der Nachführung abgeführt werden kann.
4. Sie ist mit einer abmontierbaren, transparenten, flachen oder abgerundeten Fensterplatte 16, z.B. aus Glas, ausgestattet, durch das konzentrierte
Strahlung auf die Solarzellen dringt. 5. Eine entsprechend abgeschattete Dichtung 15a, z.B. aus Kunststoff, dient als Dichtung zwischen Fensterplatte und Gehäuse .
6. Die Kunststoffdichtung 15a ist so angebracht, dass die thermische Ausdehnung des Glasfensters ausgeglichen wird, während das Gehäuse 4 weiterhin gasdicht geschlossen ist. Durch die Dichtung 15a wird auch der Eintrag von Spannungen durch mechanische Kräfte auf das Glas/Gehäuse mini- miert.
7. Die Kunststoffdichtung 15a ist durch den Kontakt mit dem Gehäuse gekühlt .
8. Die Kunststoffdichtung 15a ist so positioniert, dass sie nie konzentrierter Strahlung ausgesetzt ist (z.B. durch Abschattungselemente, nicht dargestellt) .
9. Das Gehäuse 4 ist so aufgebaut, dass die Abschattung der Konzentratorspiegelflache durch das Gehäuse 4 minimiert ist . 10. Die Fensterplatte 16 hat zu den Solarzellen 2 einen Abstand, so dass die Strahlungsintensität auf der Oberfläche mindestens um den Faktor 2 oder mehr reduziert ist. Das bedeutet die Glasfläche 16 hat mindestens die doppelte Größe der gesamten Fläche der Solarzellen 2.

Claims

Patentansprüche
1. Offenes Konzentratorsystem (15) für Solarstrahlung umfassend einen Hohlspiegel (5) und ein in dessen Fokus angeordnetes Photovoltaikmodul (1) aus mehreren Solarzellen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Photovoltaikmodul (1) durch ein Gehäuse (4) verkapselt ist, wobei das Gehäuse (4) mindestens im Bereich der durch den Hohlspiegel (5) reflektierten einfallenden Strahlung eine trans- parente Abdeckung aufweist und dass mindestens im Bereich der transparenten Abdeckung des Gehäuses (4) das Photovoltaikmodul (1) von der transparenten Abdeckung beabstandet ist.
2. Konzentratorsystem nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Abstand zwischen der transparenten Abdeckung des Gehäuses (4) und dem Photovoltaikmodul (1) so gewählt ist, dass die Lichtintensität der einfallenden Strahlung (7) im Bereich der transparenten Abdeckung des Ge- häuses (4) mindestens um den Faktor 2 kleiner ist als im Bereich des Fokus beim Photovoltaikmodul ( 1 ) .
3. Konzentratorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtintensität um den Faktor 3, bevorzugt um den Faktor 5, besonders bevorzugt um den Faktor 10 kleiner ist als im Fokus .
4. Konzentratorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abdeckung mindestens im Bereich der einfallenden Strahlung (7) gekrümmt ist.
5. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) und die transparente Abdeckung aus Glas bestehen.
6. Konzentratorsystem nach Anspruch 4 oder 5, da- durch gekennzeichnet, dass das Glas ein Glaskolben ist.
7. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Glas Borsilikatglas, Glaskeramik oder Quarz verwendet wird.
8. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus einer nicht-transparenten, opaken Gehäusewand und einer im Bereich der ein- fallenden Strahlung (7) eingesetzten transparenten Abdeckung besteht.
9. Konzentratorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) zumindest im Bereich der opaken Gehäusewand und/oder zumin- dest im Bereich der transparenten Abdeckung dop- pelwandig unter Ausbildung eines Kühlkreislaufs ausgebildet ist.
10. Konzentratorsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die opake Gehäusewand und/oder die transparente Abdeckung jeweils zumindest bereichsweise von mindestens einem Kühl- kanal durchzogen ist .
11. Konzentratorsystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abdeckung durch Glas gebildet ist.
12. Konzentratorsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Glas
Borsilikatglas, Glaskeramik oder Quarz verwendet wird.
13. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die opake Gehäusewand aus Metall, insbesondere
Aluminium und/oder Kupfer besteht.
14. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus einem doppelwandigen Rohr und einer stirnseitig angeordneten, doppelwandigen, transparenten Abdeckung besteht.
15. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikmodul (1) über einen Kühlkreis- lauf kühlbar ist.
16. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abdeckung mit mindestens einer Antireflexschicht versehen ist.
17. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Kühlkreislauf für das Photovoltaikmodul (1) und das Gehäuse (4) vorgesehen ist.
18. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikmodul (1) aus mindestens zwei Solarzellen, die miteinander verschaltet sind, gebildet ist.
19. Konzentratorsystem nach mindestens einem der An- sprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikmodul (1) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliziumflachmodulen, Solarzellen aus III-V-Halbleitern und/oder Solarzellen auf Germanium-Basis.
20. Konzentratorsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trocknungsmittel, wie beispielsweise Silica- GeI, innerhalb des Gehäuses (4) und/oder in einer Luftzufuhr zum Gehäuse vorhanden ist, wel- ches zur Trocknung des Gases innerhalb der Ver- kapselung dient und welches durch die Wärme des konzentrierten Lichtes regeneriert wird.
21. Konzentratorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse im Bereich der opaken Gehäusewand eine reflektierende Beschichtung aufweist .
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