DE102011111473A1

DE102011111473A1 - Verfahren zur Konzentration des Sonnenlichts auf ein Solarmodul mit Hilfe eines Spiegels ohne Neigungsnachführung.

Info

Publication number: DE102011111473A1
Application number: DE102011111473A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-02-28

Abstract

Sonnenlicht soll mit Hilfe eines Spiegels auf ein Solarmodul konzentriert werden, ohne dass eine Sonnenstandsnachführung erforderlich ist. Die Erfindung sieht vor, ein ebenes Solarmodul optimal entsprechend der höchsten Sonnenstandshöhe im Sommer, z. B. mit 30°-Neigung für den 53. Breitengrad, auszurichten und einen ebenen Spiegel an der nördlichen Kante im rechten Winkel zur Solarmoduloberfläche nach oben hin anzusetzen, so dass der Spiegel auch beim höchsten Sonnenstand das Solarmodul noch nicht verschattet. Die Höhe des Spiegels soll zumindest das √3-fache der Tiefe des Solarmoduls betragen, wobei als Tiefe des Solarmoduls der Abstand von der nördlichen zur südlichen Kante gemeint ist. Dadurch wird ohne Berücksichtigung des Azimutwinkels für den 53. Breitengrad zwischen der höchsten Sonnenstandshöhe bei 60° bis zum Sonnenuntergang mit einer Sonnenstandshöhe von 0° das Auftreffen direkten Sonnenlichts gegenüber einem im Neigungswinkel der Sonnenstandshöhe optimal nachgeführten Solarmodul verstärkt mit einem Faktor von 1 bis zu einem Maximum von bei einer Sonnenstandshöhe von 30°, Lichtverluste durch Spiegeln und Verschmutzung außer acht gelassen. Die Erfindung ist geeignet, mit Hilfe eines Spiegels ohne Nachführmechanismus das Auftreffen direkten Sonnenlichts auf ein Solarmodul für eine Sonnenstandshöhe zwischen 60° und 0° mit einem Maximum bei 30° mit einem Faktor von 1 bis zu verstärken.

Description

Die Konzentration des direkten Sonnenlichts auf Solarzellen wegen ihres hohen Preises mit Hilfe von billigeren Spiegeln ist z. B. aus DE 196 09 283 A1 , DE 198 04 469 A1 oder DE 101 51 468 A1 bekannt. Problematisch ist neben einer stärkeren Erhitzung mit dadurch verursachtem Wirkungsgradverlust der Solarzellen durch die auf sie konzentrierte Sonneneinstrahlung, dass bisher in der Regel zur optimalen Konzentration und zur Verhinderung von Abschattungen entweder der Spiegel, die Solarzellen oder eine Solarzellenspiegeleinheit dem direkten Sonnenlicht in zwei Ebenen nachgeführt werden musste. Die im weiteren beschriebene Erfindung soll eine Konzentration des Sonnenlichts mit Hilfe eines Spiegels ohne Nachführmechanismus erlauben. Darüber hinaus soll der Verstärkungsfaktor in günstiger Weise von der Höhe des Sonnenstands abhängig sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, ein ebenes Solarmodul optimal in seiner Neigung zur höchsten Sonnenstandshöhe im Sommer auszurichten. Für den 53. Breitengrad wäre das eine Ausrichtung mit einer Neigung von 90° – ((90° – [Breitengrad] ) + [Schiefe der Ekliptik]) = [Breitengrad] – [Schiefe der Ekliptik] = 53° – 23° = 30°, wenn man näherungsweise eine Schiefe der Ekliptik von 23° annimmt. Dazu soll ein ebener Spiegel im rechtem Winkel zum Solarmodul mit seiner unteren Kante an der nördlichen Kante des Solarmoduls aufgestellt werden mit einer Höhe von mindestens dem √3-fachen der Tiefe des Solarmoduls, wobei als Tiefe des Solarmoduls der Abstand von der nördlichen zur südlichen Kante gemeint ist und als Höhe des Spiegels der Abstand von der oberen zur unteren Kante gemeint ist. Das gilt natürlich nur für die Nordhalbkugel. Für die Südhalbkugel müsste der Spiegel an die südliche Kante des Solarmoduls angesetzt werden.
Wenn Verluste durch Spiegeln und Verschmutzung außer acht gelassen werden, lässt sich geometrisch bei einem Neigungswinkel des Solarmoduls von 30° und einer punktförmig angenommenen Sonne in unendlicher Entfernung ausgedrückt als Verstärkungsfaktor gegenüber einem im Neigungswinkel der Sonnenstandshöhe optimal nachgeführten Solarmodul bei gleichem Azimutwinkel folgendes für das Direktlicht der Sonne ableiten, Streulicht bleibt unberücksichtigt:
Für eine Sonnenstandshöhe von 60° trifft das direkte Sonnenlicht ohne Konzentration in der Nord-Süd-Ebene senkrecht, mit optimalem Winkel auf das Solarmodul, ohne dass der Spiegel vom Direktlicht erfasst wird, so dass sich ein Verstärkungsfaktor von 1 ergibt (siehe Zeichnung 1).
Für einen Sonnenstand von 45° wird das Sonnenlicht vom Spiegel mit einer Höhe von √3 der Tiefe des Solarmoduls nur knapp auf die halbe Fläche des Solarmoduls konzentriert, es ergibt sich verglichen mit einem Solarmodul gleicher Tiefe aber mit einer optimalen Neigung von 45° ein Verstärkungsfaktor von √2 (siehe Zeichnung 2).
Für eine Sonnenstandshöhe von 30° wird das gesamte Direktlicht, das auf den Spiegel bis zu einer Höhe von der Tiefe des Solarmoduls auftrifft, auf das Solarmodul gelenkt, dazu kommt der unmittelbare Lichteinfall auf das Solarmodul, so dass sich verglichen mit einem Solarmodul gleicher Tiefe aber mit einer optimalen Neigung von 60° ein Verstärkungsfaktor von TAN(60°) = √3 ergibt (siehe Zeichnung 3).
Für eine Sonnenstandshöhe von 15° wird das Licht bis zu einer Höhe, die der Tiefe des Solarmoduls entspricht, vom Spiegel auf das Solarmodul gelenkt, dazu kommt der unmittelbare Lichteinfall auf das Solarmodul, so dass sich verglichen mit einem Solarmodul gleicher Tiefe aber mit einer optimalen Neigung von 75° ein Verstärkungsfaktor von ergibt (siehe Zeichnung 4).
Für eine Sonnenstandshöhe von 0° (Sonnenuntergang) wird das Licht bis zu einer Höhe, die TAN(30°) = 1/√3 der Tiefe des Solarmoduls entspricht, vom Spiegel auf das Solarmodul gelenkt, dazu kommt der unmittelbare Lichteinfall auf das Solarmodul, so dass sich verglichen mit einem Solarmodul gleicher Tiefe aber mit einer optimalen Neigung von 90° ein Verstärkungsfaktor von 1 ergibt (siehe Zeichnung 5).
Der Verstärkungsfaktor des erfindungsgemäßen Systems bei einer Höhe des Spiegels von √3 der Tiefe des Solarmoduls lässt sich in bezug auf ein optimal in der Neigung nach dem Sonnenstandshöhenwinkel ausgerichtetes Solarmodul gleicher Größe mit gleichem Azimutwinkel und ohne Berücksichtigung der Verluste durch Spiegelung oder Verschmutzung berechnen durch: Verstärkungsfaktor = 2 × COS (ABS(60° – [Sonnenstandshöhenwinkel] – [Solarmodulneigung]) + 30°) Hinweis: Werte kleiner als Null ergeben sich, wenn das Direktlicht der Sonne das Solarmodul nicht mehr erreicht, da es von hinten kommt oder durch den Spiegel verschattet wird.
Beispielhaft Werte (Verstärkungsfaktor gerundet) sind in folgender Tabelle angegeben:

Solarmodulneigung 30° 30° 30° 30° 30°

Sonnenstandshöhenwinkel 60° 45° 30° 15° 0°

Verstärkungsfaktor 1,00 1,41 1,73 1,41 1,00

Dargestellt in Zeichnung Nr. 1 2 3 4 5
In einem Bereich der Sonnenstandshöhe zwischen 60° und 90° würde bei einem Neigungswinkel des Solarmoduls von 30° ein Teil des Solarmoduls vom Spiegel verschattet, eine solche Konstellation tritt nach der erfindungsgemäßen Neigungsausrichtung des Solarmoduls aber nicht auf.
Für den Bereich der Sonnenstandshöhe zwischen 30° und 60° bei einem Neigungswinkel des Solarmoduls von 30° und einer Höhe des Spiegels von der Tiefe des Solarmoduls belichtet das gespiegelte Direktlicht der Sonne das Solarmodul nur in einem spiegelnahen Anteil, so dass im spiegelnahen Bereich sowohl das unmittelbar von der Sonne auf das Solarmodul auftreffende Direktlicht als auch das gespiegelte Direktlicht wirksam wird, im spiegelfernen Bereich nur das unmittelbar von der Sonne auf das Solarmodul auftreffende Direktlicht. Damit eine ungleichmäßige Belichtung des Solarmoduls im spiegelnahen und spiegelfernen Bereich nicht zu einem überproportionalen Leistungseinbruch führt, sollten spiegelnahe und spiegelferne Solarzellen des Solarmoduls elektrisch parallel verschaltet sein, parallel der Spiegelfläche angeordnete Solarzellen des Solarmoduls können auch seriell verschaltet werden.
Wenn bei fester Aufstellung ohne Azimutnachführung der Solarmodulspiegeleinheit das Direktlicht der Sonne aus westlicher oder östlicher Richtung schräg auf die Solarmodulspiegeleinheit fällt und die Solarmodulspiegeleinheit seitlich lotrecht abschließt, fehlt der Anteil des gespiegelten Direktlichts in einem dreieckigen Bereich am sonnennahen seitlichen Ende des Solarmoduls. Um diesen Effekt zu verringern, bietet sich an, die Spiegelfläche insbesondere im oberen Bereich breiter auszuführen als die Solarmodulfläche, so dass der Spiegel an den seitlichen Rändern die Solarmodulfläche überragt. Das Problem tritt nicht auf, wenn die erfindungsgemäße Solarmodulspiegeleinheit im Azimutwinkel der Sonne nachgeführt wird.
Ein Nachführmechanismus nur für den Azimutwinkel lässt sich besonders einfach ohne direkte Messung des Azimutwinkels der Sonne bewerkstelligen, denn der im Tagesverlauf optimal einzustellende Azimutwinkel ergibt sich aus der Wahren Ortszeit, die sich gut durch die aus der Uhrzeit abzuleitenden Mittleren Ortszeit annähern oder unter Zuhilfenahme des Datums exakt berechnen lässt.
Da bei einer Höhe des Spiegels von der Tiefe des Solarmoduls für einen Neigungswinkel des Solarmoduls von 30° die obere Kante des Spiegels lotrecht oberhalb der südlichen Kante des Solarmoduls zu liegen kommt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders zur Bestückung von lotrechten Wänden in südlicher Ausrichtung zum Beispiel mit zeilenartig übereinander gereihten Solarmodulspiegeleinheiten in Wandbreite.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch die Konzentration durch den Spiegel bei einem festen Neigungswinkel des Solarmoduls von 30° für jeden Sonnenstandshöhenwinkel zwischen 0° und 60° die Ausbeute mindestens so groß ist, wie bei einem in der Neigung (ohne Berücksichtigung des Azimutwinkels) optimal nachgeführten Solarmodul, und für einen Sonnenstandshöhenwinkel von 30° maximal das √3-fache beiträgt, Verluste durch Spiegeln und Verschmutzung außer acht gelassen, so dass es keines Nachführmechanismus bedarf.
Der maximale Verstärkungsfaktor befindet sich bei einer mittleren Sonnenstandshöhe von 30° und nicht beim höchsten Sonnenstand, so dass Überhitzungsprobleme abgemildert werden. Ein Wirkungsgradverlust durch eine zum Teil ungleichmäßige Bestrahlung des Solarmoduls lässt sich durch elektrische Parallelschaltung der einzelnen Solarzellen in Nord-Süd-Richtung begegnen. Eine Spannungserhöhung durch serielle Schaltung bleibt in Ost-West-Richtung möglich. Eine einfach zu bewerkstellende isolierte Azimutnachführung kann die Ausbeute noch weiter verbessern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19609283 A1 [0001]
DE 19804469 A1 [0001]
DE 10151468 A1 [0001]

Claims

Verfahren zur Konzentration des Sonnenlichts auf ein ebenes, nicht in der Neigung der Sonnenstandshöhe nachgeführtes Solarmodul mit Hilfe eines ebenen, gegenüber dem Solarmodul unbeweglichen Spiegels, das dadurch gekennzeichnet ist, dass für die Nordhalbkugel das Solarmodul mit seiner nördlichen Kante im rechten Winkel zur Nord-Süd-Richtung und mit seiner Neigung auf die höchste Sonnenstandshöhe im Sommer ausgerichtet ist, und sich der Spiegel an der nördlichen Kante im rechten Winkel zum Solarmodul befindet, so dass die nördliche Kante des Solarmoduls sich an oder in unmittelbarer Nähe der unteren Kante des Spiegels befindet und der Spiegel auch beim höchsten Sonnenstand im Sommer das Solarmodul bezüglich der Direktstrahlung nicht abschattet und die Höhe des Spiegels zumindest das √3-fache der Tiefe des Solarmoduls beträgt, wobei als Tiefe des Solarmoduls der Abstand von der nördlichen zur südlichen Kante gemeint ist und als Höhe des Spiegels der Abstand von der oberen zur unteren Kante gemeint ist.
Verfahren zur Konzentration des Sonnenlichts auf ein ebenes, nicht in der Neigung der Sonnenstandshöhe nachgeführtes Solarmodul mit Hilfe eines ebenen, gegenüber dem Solarmodul unbeweglichen Spiegels, das dadurch gekennzeichnet ist, dass für die Nordhalbkugel das Solarmodul mit seiner nördlichen Kante im rechten Winkel zur Nord-Südrichtung und mit seiner Neigung auf eine Sonnenstandshöhe ausgerichtet ist, die höher ist als der höchste Sonnenstand im Sommer, und sich der Spiegel an der nördlichen Kante im rechten Winkel zum Solarmodul befindet, so dass die nördliche Kante des Solarmoduls sich an oder in unmittelbarer Nähe der unteren Kante des Spiegels befindet.
Verfahren zur Konzentration des Sonnenlichts auf ein ebenes, nicht in der Neigung der Sonnenstandshöhe nachgeführtes Solarmodul mit Hilfe eines ebenen, gegenüber dem Solarmodul unbeweglichen Spiegels nach Patentanspruch 2, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Positionen von Solarmodul und Spiegel gegenüber ihren Positionen in Patentanspruch 2 vertauscht sind.
Verfahren zur Konzentration des Sonnenlichts auf ein ebenes, nicht in der Neigung der Sonnenstandshöhe nachgeführtes Solarmodul mit Hilfe eines ebenen, gegenüber dem Solarmodul unbeweglichen Spiegels nach Patentanspruch 1, 2, oder 3, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Solarzellen des Solarmoduls oder elektrisch zusammengeschaltete Gruppen von Solarzellen des Solarmoduls, die sich aus Solarzellen mit gleichem Abstand zur nördlichen Kante des Solarmoduls zusammensetzen, elektrisch parallel verschaltet werden, wenn ihr Abstand zur nördlichen Kante des Solarmoduls nicht gleich ist.
Verfahren zur Konzentration des Sonnenlichts auf ein ebenes, nicht in der Neigung der Sonnenstandshöhe nachgeführtes Solarmodul mit Hilfe eines ebenen, gegenüber dem Solarmodul unbeweglichen Spiegels nach Patentanspruch 1, 2, 3 oder 4, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Solarmodul und Spiegel des Solarmoduls mit ihrem Azimutwinkel auf der Nordhalbkugel nicht genau nach Süden, sondern in einem abweichenden Azimutwinkel ausgerichtet sind, so dass auch die in Patentansprüchen 1, 2 und 4 als nördliche Kante des Solarmoduls bezeichnete Kante nicht mehr im rechten Winkel zur Nord-Süd-Richtung ausgerichtet ist, sondern entsprechend um den abweichenden Azimutwinkel gedreht ist.
Verfahren zur Konzentration des Sonnenlichts auf ein ebenes, nicht in der Neigung der Sonnenstandshöhe nachgeführtes Solarmodul mit Hilfe eines ebenen, gegenüber dem Solarmodul unbeweglichen Spiegels nach Patentanspruch 1, 2, 3 oder 4, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Solarmodul und Spiegel als Einheit durch Drehung um den Azimutwinkel dem Sonnenstand nachgeführt werden, so dass auch die in Patentansprüchen 1, 2 und 4 als nördliche Kante des Solarmoduls bezeichnete Kante nicht fest im rechten Winkel zur Nord-Süd-Richtung ausgerichtet ist, sondern entsprechend um den Azimutwinkel gedreht wird.
Verfahren zur Konzentration des Sonnenlichts auf ein ebenes, nicht in der Neigung der Sonnenstandshöhe nachgeführtes Solarmodul mit Hilfe eines ebenen, gegenüber dem Solarmodul unbeweglichen Spiegels nach Patenanspruch 1 bis 6, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren für die Südhalbkugel in für Nord und Süd vertauschter Weise angewandt wird.
Verfahren zur Konzentration des Sonnenlichts auf ein ebenes, nicht in der Neigung der Sonnenstandshöhe nachgeführtes Solarmodul mit Hilfe eines ebenen, gegenüber dem Solarmodul unbeweglichen Spiegels nach Pateneanspruch 1 bis 7, das dadurch gekennzeichnet ist, dass anstelle eines einzelnen Solarmoduls eine Gruppe von Solarmodulen benutzt wird, die insgesamt eine ebene Fläche aus Solarzellen bilden.