DE3741477C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Konzentratoranordnung mit einer Vielzahl von Solarzellen und mit einer aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex von mehr als 1,45 hergestellten Platte, die eine ebene Oberseite und eine Unterseite aufweist, die mit den rechteckigen Eintrittsaperturflächen einer Konzentratorstruktur aus nichtabbildenden 2D Konzentratorelementen verbunden ist, deren rechteckige Austrittsaperturflächen sich parallel zur Ebene der Platte erstrecken und die jeweils die Gestalt eines Zylinders haben, dessen Längsachse parallel zur Ebene der Platte verläuft und dessen Zylindermantel durch die Eintrittsaperturfläche und die Austrittsaperturfläche sowie zwei sich zwischen diesen erstreckenden und in Richtung der Austrittsaperturfläche nähernden, parabelförmig gekrümmten Seitenwände gebildet ist.

Derartige Konzentratoranordnungen sind aus W. T. Welford, R. Winston "The Optics of Nonimaging concentrators", Academic Press, New York (1978) bekannt und dienen als statische nichtabbildende Konzentratoren im Gegensatz zu nachgeführten Konzentratoren mit optisch abbildenden Systemen, die wegen ihres kleinen Akzeptanzwinkels relativ genau auf die Sonne ausgerichtet sein müssen, dazu, eine photovoltaische Energieumwandlung ohne komplizierte mechanische Nachführeinrichtungen durchzuführen.

Mit den dort beschriebenen 2D Konzentratoren lassen sich zwar schon hohe statische Konzentrationen erreichen, jedoch lassen sich mit den bekannten Konzentratoranordnungen in Nord-Süd-Richtung nicht die gleichen Konzentrationen wie in Ost-West-Richtung realisieren. Aus einer Abbildung auf Seite 163 des genannten Buches ist ein 3D Konzentrator bekannt, der aus einem Abschnitt eines 2D Konzentrators gebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konzentratoranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch ohne Nachführung einen hohen Konzentrationsfaktor für Strahlung mit beliebiger Einfallsrichtung erreicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes 2D Konzentratorelement über seine in Draufsicht rechteckige Austrittsaperturfläche mit einer Vielzahl von entlang der Austrittsaperturfläche nebeneinander angeordneten, eine quadratische Eintrittsaperturfläche aufweisende 3D Konzentratorelementen optisch gekoppelt ist, wobei die 2D Konzentratorelemente eine zweite Stufe der Konzentratoranordnung bilden und die 3D Konzentratorelemente sich ausgehend von ihren mit den 2D Konzentratorelementen gekoppelten quadratischen Eintrittsaperturflächen in Richtung auf die mit den Austrittsaperturflächen der 3D Konzentratorelemente gekoppelten Solarzellen verjüngen, in dem die Seitenwände der 3D Konzentratorelemente parabelförmig gekrümmt verlaufen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Konzentrator vom Typ CPC bekannter Bauart,

Fig. 2 eine Konzentratoranordnung gemäß der Erfindung mit einer zweistufigen Konzentration in perspektivischer Ansicht,

Fig. 3 eine Ansicht auf die Konzentratoranordnung in östlicher oder westlicher Richtung,

Fig. 4 eine Seitenansicht auf die Konzentratoranordnung in nördlicher oder südlicher Richtung und

Fig. 5 eine Kontaktanordnung für die Stromsammelkontakte außerhalb der beleuchteten Fläche der Solarzellen.

In Fig. 1 ist ein statischer 2D Konzentrator 1 bekannter Bauart dargestellt, der die Form eines Zylinders oder Troges hat und eine Konzentration nur in Nord-Süd-Richtung gestattet. Der statische 2D Konzentrator 1 verfügt über eine parabelförmig gekrümmte linke Seitenwand 2 und eine ebenfalls parabelförmig gekrümmte rechte Seitenwand 3. Die Seitenwände 2, 3 haben an ihren oberen Rändern einen Abstand d₁ und nähern sich an ihren unteren Rändern auf einen Abstand d₂. Im allgemeinen sind die Seitenwände 2, 3 verspiegelt. Der Raum zwischen den Seitenwänden 2, 3 kann mit Glas oder Plastik mit einem Brechungsindex n₂=1,5 gefüllt sein, wobei sich Konzentrationsfaktoren von 2 bis 2,2 erreichen lassen oder auch ohne brechendes Medium (n₂=1) zwischen den Seitenwänden 2, 3 ausgebildet sein, wobei sich nur Konzentrationsfaktoren von 1,4 bis 1,5 erreichen lassen.

Der in Fig. 1 dargestellte statische 2D Konzentrator 1 ist in Ost-West-Richtung ausgerichtet, so daß die Stirnseiten 4, 5 nach Osten bzw. Westen und die Seitenwände 2, 3 nach Norden bzw. Süden weisen. Dabei ist der Konzentrator 1 um seine parallel zu den Seitenwänden 2, 3 verlaufende Längsachse verdreht, um eine Ausrichtung des Konzentrators nach Süden mit optimaler Neigung zu erreichen. Diese Neigung entspricht dem Breitengrad des Aufstellungsortes.

Die am Boden des in Fig. 1 dargestellten statischen 2D Konzentrators 1 vorhandene Austrittsaperturfläche ist mit mehreren Solarzellen 6 belegt, die das vom statischen 2D Konzentrator 1 eingefangene direkte und diffuse Solarlicht durch photovoltaische Energieumwandlung ausnutzen. Der 2D Konzentrator 1 bildet einen statischen, nichtabbildenden Konzentrator vom Typ CPC (Compound Parabolic Concentrator). Ein solcher Konzentrator ist im Konzentrationsfaktor C=a₁/a₂ begrenzt durch die Liouville'sche Bedingung

wobei a₁ die Eintrittsaperturfläche, a₂ die Austrittsaperturfläche, n₁ der Brechungsindex des Mediums vor dem Konzentrator, n₂ der Brechungsindex des Mediums innerhalb des 2D Konzentrators, R₁ der Öffnungswinkel der Strahlen an der Eintrittsapertur und R₂ der Öffnungswinkel der Strahlung an der Austrittsapertur ist.

Um möglichst viel direkte Sonnenstrahlung zu empfangen, muß ein statischer 2D Konzentrator einen großen Öffnungswinkel besitzen, der in Nord-Süd-Richtung kleiner sein darf als in Ost-West-Richtung. In Nord-Süd-Richtung muß der Empfangsbereich einerseits bis zum oberen Kulminationspunkt der Sonne, andererseits bis in die Nähe des südlichen Horizonts reichen. Bei gestaffelt hintereinander stehenden Kollektoren oder 2D Konzentratoren kann die Begrenzung beim unteren Kulminationspunkt der Sonne liegen. In Ost-West-Richtung hingegen muß der Öffnungswinkel 180° betragen. Diese Bedingungen führten zu der Trogform des in Fig. 1 dargestellten statischen 2D Konzentrators mit eindimensionaler Konzentration, für den die Liouville'sche Bedingung lautet:

wobei d₁ und d₂ die oben erwähnten Abstände der Seitenwände 2, 3 bzw. die Breiten des 2D Konzentrators 1 an der Eintrittsaperturfläche und der Austrittsaperturfläche bedeuten.

Fig. 2 zeigt eine zweistufige Konzentratoranordnung 10 gemäß der Erfindung, die es erlaubt, unter Beibehaltung der Öffnungswinkelverteilung eine wesentlich höhere statische Konzentration zu erzielen. Dabei wird eine zweistufige Konzentration in einem brechenden Medium vorgenommen.

Die zweistufige Konzentratoranordnung 10 verfügt über eine Platte 11 aus transparentem Material mit einem Brechungsindex n, der größer als 1,45 ist. Die Platte 11 ist auf der der einfallenden Strahlung zugewandten Oberseite 12 eben und auf der der Oberseite 12 gegenüberliegenden Seite optisch und mechanisch mit einer Struktur 13 zur nichtabbildenden Konzentration von Licht verbunden. Die Struktur 13 bewirkt eine zweistufige Konzentration des Lichts in linear-eindimensionalen ersten Stufen oder 2D Konzentratorelementen 14 und zweidimensionalen zweiten Stufen oder 3D Konzentratorelementen 15.

Die 2D Konzentratorelemente 14 haben die in Fig. 1 dargestellte Gestalt eines aus Glas oder Plastik geformten Troges oder Zylinders. An der Austrittsaperturfläche der ersten Stufen sind jeweils eine Vielzahl von 3D Konzentratorelementen 15 optisch und mechanisch gekoppelt, die auch in Fig. 3 dargestellte parabelförmig gebogene Seitenwände 16 und 17 sowie in Fig. 4 erkennbare parabelförmige Vorderwände 18 und Hinterwände 19 aufweisen. Die unteren Ränder der Seitenwände 16, 17 und der Vorderwände 18 sowie der Hinterwände 19 enden jeweils an einer Bodenfläche oder Austrittsaperturfläche 20, die mit einer Solarzelle 21 optisch gekoppelt ist.

Wie sich aus den Fig. 2 bis 4 ergibt, haben die 2D Konzentratorelemente 14 rechteckförmige Eintrittsaperturen und rechteckförmige Austrittsaperturen, während die sich berührenden 3D Konzentratorelemente 15 quadratische Eintritts- und Austrittsaperturen aufweisen. Die 3D Konzentratorelemente 15 sind somit nicht genau radialsymmetrisch, was zu einer geringen Einbuße an Konzentration führt. Dies ist aber zweckmäßig, da einerseits die Aperturfläche nur mit quadratischen bzw. rechteckigen Strukturen ausgefüllt werden kann, andererseits die Solarzellen 21 quadratisch sind.

Die Liouville'sche Bedingung wird dann optimal ausgeschöpft, wenn R₂=180° gilt. Dies wird beim linearen Trogkonzentrator mit einem brechenden Medium, dessen Brechungsindex größer als 1 ist, nur in der Nord-Süd- Richtung, nicht aber in der Ost-West-Richtung erreicht. Nach dem Brechungsgesetz haben in Luft horizontale Strahlen nach Eintritt ins Medium eine Divergenz R′, die gegeben ist durch

sin R′/2 = 1/n

Durch eine zweidimensionale Konzentration kann diese Divergenz auf 90° erhöht werden. Bei der erfindungsgemäßen zweistufigen Konzentratoranordnung 10 wird dies dadurch erreicht, daß in den linearen ersten Stufen oder 2D Konzentratorelementen 14 die Nord-Süd-Strahlen auf die gleiche Divergenz gebracht werden wie die Ost-West-Strahlen (durch Zerlegung in senkrechte Komponenten gilt diese Betrachtung auch für alle schräg einfallenden Strahlen).

Somit sind die Abmessungen d₁ und d₂ der 2D Konzentratorelemente 14 gegeben durch

d₁ sin R/2 = d₂ n sin R′/2,

wobei R der durch die oben angegebenen Bedingungen bestimmte Nord-Süd-Eintrittswinkel ist. Somit ergibt sich

d₁/d₂ = C₁ = 1/sin R/2.

Da nunmehr die Strahlung axialsymmetrisch ist, kann sie in den zweiten Stufen oder 3D Konzentratorelementen 15 zweidimensional weiter konzentriert werden bis R₂= 180°.

Es gilt

A₁ n sin² R′/2 = A₂ sin² π/2

A₁ und A₂ sind die den 3D Konzentratorelementen 15 zugeordneten Eintritts- und Austrittsaperturflächen.

Die Gesamtkonzentration ist

Vergleicht man dies mit der konventionellen einstufigen Konzentration von

so erkennt man, daß man einen Faktor n gewinnt.

Die 3D Konzentratorelemente 15 können aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex n₂ bestehen, der größer als der Brechungsindex n₁ des transparenten Materials der 2D Konzentratorelemente 14 ist. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil dafür wenig Material verbraucht wird und Materialien mit höherem Brechungsindex meist teuer sind. In diesem Fall ist die Bedingung für die 3D Konzentratorelemente 15

A₁ n₁² sin² R²/2 = A₂ n₂²;

Die volle Konzentration ist dann n₂²/ (sin R/2), also als ob die ganze Konzentratoranordnung 10 aus dem Material mit dem Brechungsindex n₂ bestehen würde.

Bei der beschriebenen Konzentratoranordnung 10 gehen nur die relativen Dimensionen in die Konzentration ein. Daher können sehr flache Strukturen mit relativ gerin­ gem Materialverbrauch realisiert werden. Dies erfordert kleine Solarzellen 21, die entsprechend genau positio­ niert sein müssen. Dies ist mit Hilfe der in der Halb­ leitertechnik entwickelten Verfahren möglich.

In der nachfolgenden Tabelle sind quantitative Bei­ spiele für R/2=23,5° aufgeführt.

Gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 mit einem Kon­ zentrationsfaktor von 3,76 werden mit der zweistufigen Konzentratoranordnung 10 je nach den Brechungsindizes der 2D Konzentratorelemente 14 und der 3D Konzentratorelemente 15 deutlich höhere Konzentrationsfaktoren zwischen 5,64 und 10,03 erreicht.

Der Öffnungswinkel R₁ der 2D Konzentratorelemente 14 ist so gewählt, daß bei Ausrichtung der Konzentratoranordnung 10 nach Süden mit optimaler Neigung der Ort der Sonne bei Sonennhöchststand noch in den Akzeptanzbereich fällt und die andere Begrenzung des Öffnungswinkels mindestens den minimalen Kulminationspunkt der Sonne enthält. Der lineare Konzentrationsfaktor C₁ der 2D Konzentratorelemente 14 ist so gewählt, daß der auf die Nord-Süd-Richtung projizierte Öffnungswinkel der Strahlen an der Austrittsfläche die Bedingung C₁= 1/(sin R₁/2) erfüllt.

Bei einer zweistufigen Konzentratoranordnung 10, die aus einem einheitlichen Medium mit dem Brechungsindex n besteht, wird der Konzentrationsfaktor C₂ der 3D Konzentratorelemente 15 so gewählt, daß C₂=n² gilt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die 2D Konzentratorelemente 14 aus einem Material mit einem Brechungsindex n₁ und die 3D Konzentratorelemente 15 aus einem anderen Material mit einem Brechungsindex n₂ hergestellt sind, der größer als der Brechungsindex n₁ ist. In einem solchen Fall läßt sich erreichen, daß die Konzentration der zweiten Stufen C₂=n₂² ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Platte 11 rechteckig und verfügt über eine ebene Front­ seite. Auf der Rückseite befinden sich viele neben­ einander angeordnete lineare Strukturen der 2D Konzentratorelemente 14, an deren Austrittsaperturflächen sich berührende Elemente der 3D Konzentratorelemente 15 befinden.

Die Platte 11, die 2D Konzentratorelemente 14 und die 3D Konzentratorelemente 15 können, insbesondere wenn sie aus einem Material mit gleichem Brechungsindex hergestellt sind, einstückig hergestellt werden. Wenn verschiedene Materialien benutzt werden, werden die Konzentratorelemente 14, 15 so miteinander verbunden, daß eine möglichst gute optische Kopplung entsteht. Dabei kann in einem Übergangsbereich auch eine allmähliche Änderung des Brechungsindexes vorgesehen sein, um Reflexionen zu vermeiden.

In den Fig. 5a und 5b sind Kontaktanordnungen für die Solarzellen 21 in Verbindung mit den Austrittsaperturflächen der Konzentratoranordnung 10 dargestellt. Da die Metallkontakte der Solarzellen 21 die Strahlung abschirmen, verursachen sie Verluste. Aus diesem Grunde werden die Kontaktgitterflächen möglichst klein ge­ halten. Statische Konzentratoren der oben beschriebenen Art bieten die Möglichkeit die Abschirmung durch das Ableitgitter 25 der Solarzellen 21 zu minimieren, indem die Stromsammelkontakte 26 (Busbars) außerhalb der beleuchteten Flächen der Solarzellen 21 angeordnet werden, wie dies in Fig. 5a veranschaulicht ist. Fig. 5a zeigt dabei den Verlauf der Stromsammelschiene 26 außerhalb des Umfangs des unteren Endes einer zweiten Stufe 15. Fig. 5b zeigt eine Draufsicht auf die Solar­ zelle 21 vor der Befestigung an der zweiten Stufe 15.

Claims (4)

1. Konzentratoranordnung mit einer Vielzahl von Solarzellen und mit einer aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex von mehr als 1,45 hergestellten Platte, die eine ebene Ober­ seite und eine Unterseite aufweist, die mit den rechteckigen Eintrittsaperturflächen einer Konzentratorstruktur aus nichtabbildenden 2D Konzentratorelementen verbunden ist, deren rechteckige Austrittsaperturflächen sich parallel zur Ebene der Platte erstrecken und die jeweils die Gestalt eines Zylinders haben, dessen Längsachse parallel zur Ebene der Platte verläuft und dessen Zylindermantel durch die Eintrittsaperturfläche und die Austrittsaperturfläche sowie zwei sich zwischen diesen erstreckenden und in Richtung der Austrittsaperturfläche nähernden, parabelförmig gekrümmten Seitenwände gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes 2D Konzentratorelement (14) über seine in Draufsicht rechteckige Austrittsaperturfläche mit einer Vielzahl von entlang der Austrittsaperturfläche nebeneinander angeordneten, eine quadratische Eintrittsaperturfläche aufweisende 3D Konzentratorelementen (15) optisch gekoppelt ist, wobei die 2D Konzentratorelemente (14) eine erste und die 3D Konzentratorelemente (15) eine zweite Stufe der Konzentratoranordnung bilden und die 3D Konzentratorelemente (15) sich ausgehend von ihren mit den 2D Konzentratorelementen (14) gekoppelten quadratischen Eintrittsaperturflächen in Richtung auf die mit den Austrittsaperturflächen der 3D Konzentratorelemente (15) gekoppelten Solarzellen (21) verjüngen, indem die Seitenwände (16, 17, 18, 19) der 3D Konzentratorelemente (15) parabelförmig gekrümmt verlaufen.

2. Konzentratoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 3D Konzentratorelemente (15) aus einem Material mit einem anderen Brechungsindex als dem des Materials der 2D Konzentratorelemente (14) bestehen.

3. Konzentratoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Solarzellen (21) benachbarte Material der 3D Konzentratorelemente (15) den höheren Brechungsindex aufweist.

4. Konzentratoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 3D Konzentratorelemente (15) in Längsrichtung der rechteckigen Austrittsaperturflächen der 2D Konzentratorelemente (14) sich gegenseitig berührend angeordnet sind.