DE19609283A1

DE19609283A1 - Multi-Solarzellen-Konzentrator

Info

Publication number: DE19609283A1
Application number: DE19609283A
Authority: DE
Inventors: Hans Kleinwaechter; Reinhard Schmitt; David Keller; Norbert Uttner
Original assignee: Kleinwaechter Hans Prof Dr-Ing 79541 Loerrach De
Current assignee: KLEINWAECHTER, JUERGEN, DIPL.-PHYS., 79541 LOERRAC
Priority date: 1996-03-09
Filing date: 1996-03-09
Publication date: 1997-09-11

Description

Die relativ hohen Preise für Silizium-Solarzellen von 8000 bis 10 000 DM/kW bei 1 SUN = 1 kW/m² legen es nahe, mittels preisgünstiger Blechspiegelkonzentratoren oder vieler "dünne" Sammellinsen, die mit einem Bruchteil dieses Preises pro kW elektrischer Energie auskommen und außerdem noch Niedertemperaturwärme erzeugen, um den Preis pro kW einer PV-Anlage weiter erheblich zu reduzieren.

So erhöht erfindungsgemäß nach Fig. 1 ein innenverspiegelter Vierecks-Pyramiden-Stumpf trichterspiegel (1) die Bestrahlungsintensität einer in dem Pyramidenstumpfspiegel (1) angeordneten Solarzelle um den Konzentrationsfaktor C = 4, wenn durch besondere Dimensionierung der 4 ebenen Spiegelflächen (3) deren Reflexionsstrahlenbündel auf die Solarzelle (2) gelenkt werden. Erfindungsgemäß bleibt dabei die gesamte Bestrahlungshelligkeit auf der Solarzelle räumlich konstant, was eine Bedingung für die optimale Umwandlung des konzentrierten Sonnenlichtes in elektrische Energie ist.

Da wegen des geringen Reflexionsverlustes des Trichterspiegels die gesamte durch die Aperturfläche 4a2 eingestrahlte Sonnenenergie nur mit ca. 14% in elektrische Energie umgewandelt wird, wird der Großteil von ca. 84% der aufgefangenen Sonnenenergie in Wärme umgewandelt, die erfindungsgemäß durch wassergekühlte Bodenkästen (4) oder durch eine vor die Solarzellen angeordnete Glasabdeckung, das langwelliges Sonnenlicht selektiv absorbiert, gekühlt und nutzbar abgeführt.

Die restliche Umwandlungswärme wird durch die gut wärmeleitenden großen Spiegelbleche, die auf der Rückseite geschwärzt sind, erfindungsgemäß mittels Konvektion an die Umgebungsluft abgegeben.

Bei Verzicht auf eine vollkommen homogene Bestrahlungsdichte der quadratischen Solarzellen kann bei Verwendung preiswerterer kreisförmiger Solarzellen erfindungsgemäß mittels tiefgezogener und optisch optimierter, nicht abwickelbarer Spiegelbleche mit stetigem Übergang von quadratischer Eingangsapertur in kreisförmige Solarzellen ein für die Massenproduktion geeigneter Multitrichterspiegelkonverter Fig. 4 hergestellt werden.

Da bei feststehenden Solarzellen die abgegebene elektrische Energie vom cos des Einfallswinkels abhängt, dessen Mittelwert Π/2 ist, kann erfindungsgemäß der Gesamtgewinn für den vorliegenden Flachspiegeltrichter max. 4Π/2 = 2Π = 6,28 betragen.

Die der Theorie entsprechende gemessene Strahlungskonzentration von C = 3,75 erhitzt die Solarzelle gegenüber der Umgebung und mindert den photovoltaischen Umwandlungs wirkungsgrad der Solarzellen mit steigender Temperatur. Deshalb ist eine intensive Kühlung aller Solarzellen notwendig. Erfindungsgemäß geschieht dies nach Fig. 1 durch flache kreiszylindrische Metalldosen (4), in die das Kühlmedium tangential am Dosenrand einströmt und mit großer Geschwindigkeit auf einer spiralförmigen Wirbelbahn im Dosenzentrum erwärmt, axial austritt.

Alle Kühldosen werden erfindungsgemäß durch Parallelschaltung der Kühlmediumzu- und -abführung intensiv gekühlt, so daß eine möglichst hohe photovoltaische Umwandlung erreicht wird.

Anstelle von Spiegeltrichtern kann das direkte Sonnenlicht nach Fig. 4 erfindungsgemäß durch viele gleiche Sammellinsen auf die zugehörigen Solarzellen konzentriert werden, wobei die maximale Konzentration viel größer als C = 4 sein kann. Im Unterschied zu den bisher verwendeten großflächigen nach Süden orientierten und fest aufgebauten Solarzellenpanellen, benötigt der dem Sonnenstand automatisch nachgeführte und wassergekühlter MSK sogenannte "parasitäre" Hilfsenergien, die vernachlässigbar klein im Vergleich zur gewonnenen elektrischen Energie sein müssen.

Dies trifft wegen der langsamen Erddrehung von ω = 2Π/Tag für die parasitäre Antriebsleistung P_Antrieb zu, da bereits bei P = 1W und einem Antriebswirkungsgrad von η = 0,1 ein Antriebsmoment von Md= P/η·ω = 1W 10,1·2Π/24·3600 s = 13.700 Nm ist.

Die parasitäre Antriebsleistung bei Zwangswasserkühlung PAK berechnet sich zu PAK = ∨·Δp/η_Umwandlung, wobei ∨ der sekundliche Kühlwasserstrom und Δp das Druck gefälle in der Kühlerdose darstellt.

Claims

1. Photovoltaischer Sonnenlichtkonverter, dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltaische Solarzellenfläche aus einer ausreichend großen Anzahl gleichgestaltigen Rechteck-, Quadrat- oder Kreisfläche besteht, welche die Basisflächen von gleichen, innenverspiegelten Trichtern bilden, die das senkrecht einfallende Sonnenlicht konzentrieren und gleichförmig auf die Solarzellen reflektieren, so daß die Aperturfläche des einfallenden Lichtstromes ein vielfaches C der gesamten Solarzellenfläche beträgt.

2. MSK dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltaische Solarzellenfläche aus einer ausreichend großen Zahl gleichgroßer Kreisflächen besteht, denen das um C verstärkte Sonnenlicht durch eine gleiche Anzahl von Sammallinsen zugestrahlt wird.

3. MSK nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei quadratischen Spiegeltrichtern die Konzentration C des Sonnenlichtes fast C = 4 beträgt und daß wegen der der Sonnenrichtung nachgeführten Trichterkonzentratoren sich ein theoretischer Gesamtgewinn gegenüber feststehenden Solarzellen von 4Π/2 = 2Π = 6,28 ergibt.

4. MSK nach 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vermeiden eines zu großen Wirkungsgradabfalles der stark erhitzten Solarzellen diese durch mit Frostschutzmittel gemischte Wasser durchströmte (evtl. mit Frostschutzmittel gemischte) Kühlungsflächen die thermische Verlustleistung der Solarzellen von 85% intensiv gekühlt werden.

5. MSK nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus Werkzeugkostengründen aus ebenen Spiegeltrichterteilen besteht, die praktisch ohne Verschnitt und ohne Tiefziehverformung aus einem einzigen rechteckigen Spiegelblech hergestellt werden können.

6. MSK nach 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß er durch elektronische oder mechanische Uhrwerke um eine zum Polarstern zeigende siderischen Achse mit einer Winkelgeschwindigkelt von 360°/Tag und gleichzeitig um die dazu senkrecht stehende Saisonalachse um 23,5° zwischen Sommer und Winter mit ca. 5° Winkelgenauigkeit nachgeführt wird.

7. MSK nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß seine Lichteintrittsapertur durch ein Fenster verschlossen ist, das nicht nur die Spiegelflächen und die Solarzellen vor Verschmutzen schützt, sondern auch durch seine selektive optische Lichtdurchlässigkeit gewünschtenfalls das Kühlsystem entlastet.

8. MSK dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 1 der durch Wärmeleitpaste gut wärmekontaktierte Kühlkörper aus flachen, kreiszylindrischen Metalldosen besteht, in die das auf alle Kühldosen gleichmäßig verteilte Kühlwasser mit möglichst niederer Temperatur an den äußeren oberen Dosenwänden tangential auftrifft und nach vielen schnell durchlaufenden Spiralbahnen im Zentrum der Dosen erwärmt axial austritt.