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    公开号:WO1989005463A1
    申请号:PCT/DE1988/000688
    申请日:1988-11-07
    公开日:1989-06-15
    发明作者:Adolf Goetzberger
    申请人:Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewand；
    IPC主号:G02B19-00
    专利说明:
    [0001] Konzentratoranordnung
    [0002] 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 einer Konzentratorstruktur aus trogförmigen nichtabbildenden Konzentratorelementen mit parabelförmig gekrümmten Seitenwänden verbunden ist.
    [0003] Derartige Konzentratoranordnungen sind aus W.T. Wel- ford, R. Winston "The optics of non-imaging concen- trators", 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 Akzep¬ tanzwinkels relativ genau auf die Sonne ausgerichtet sein müssen, dazu, eine photovoltaische Energieumwand- lung ohne komplizierte mechanische Nachführeinrich¬ tungen durchzuführen.
    [0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konzen¬ tratoranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen höheren Konzentrationsfaktor auszeichnet.
    [0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Konzentratorelemente nach allen vier Himmelsrich- tungen weisende parabelförmig gekrümmte Spiegelflächen aufweise .
    [0006] Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
    [0007] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Konzentrator vom Typ CPC bekannter Bauart,
    [0008] Fig. 2 eine Konzentratoranordnung gemäß der Erfin- düng mit einer zweistufigen Konzentration in perspektivischer Ansicht,
    [0009] Fig. 3 eine Ansicht auf die Konzentratoranordnung in östlicher oder westlicher Richtung,
    [0010] Fig. 4 eine Seitenansicht auf die Konzentratoranord¬ nung in nördlicher oder südlicher Richtung,
    [0011] Fig. 5 ein Konzentratorelement für rechteckförmige Solarzellen,
    [0012] Fig. 6 eine Konzentratoranordnung mit mehreren Konzentratorelementen gemäß Fig. 5, die durch eine Platte miteinander verbunden sind,
    [0013] Fig. 7 ein Konzentratorelement für rechteckförmige Solarzellen mit zwei aufeinanderfolgenden Medien unterschiedlicher Brechungsindizes und
    [0014] Fig. 8 verschiedene Kontaktgeometrien zur Anordnung der Stromsammeikontakte außerhalb der be¬ leuchteten Fläche der Solarzellen.
    [0015] In Fig. 1 ist ein statischer Konzentrator 1 bekannter Bauart dargestellt, der die Form eines Troges hat und eine eindimensionale Konzentration gestattet. Der statische Konzentrator 1 verfügt über eine parabelför- mig gekrümmte linke Seitenwand 2 und eine ebenfalls parabelförmig gekrümmte rechte Seitenwand 3. Die Sei- tenwände 2, 3 haben an ihren oberen Rändern einen Abstand d^ 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 Konzentrationsfak- toren von 2 bis 2,2 erreichen lassen oder auch ohne brechendes Medium (n2 = 1) zwischen den Seitenwänden 2, 3 ausgebildet sein, wobei sich nur Konzentrationsfak¬ toren von 1,4 bis 1,5 erreichen lassen.
    [0016] Der in Fig. 1 dargestellte statische Konzentrator ist in Ost-West-Richtung ausgerichtet, so daß die Stirn¬ seiten 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 .
    [0017] Der Boden des in Fig. 1 dargestellten statischen Kon¬ zentrators 1 ist mit mehreren Solarzellen 6 belegt, die das vom statischen Konzentrator 1 eingefangene direkte und diffuse Solarlicht durch photovoltaische Energieum¬ wandlung ausnutzen. Der Konzentrator 1 bildet einen statischen, nichtabbildenden Konzentrator vom Typ CPC (Compound Parabolic Concentrator) . Ein solcher Konzen¬ trator ist im Konzentrationsfaktor C = a-i/a« begrenzt durch die Liouville 'sehe Bedingung
    [0018] θ.. θ2 a . n., sin —-— = a2 n^ sin ——
    [0019] wobei a- die Eintrittsaperturfläche, a2 die Austritts¬ aperturfläche, n* der Brechungsindex des Mediums vor dem Konzentrator, n2 der Brechungsindex des Mediums innerhalb des Konzentrators , θ- der Öffnungswinkel der Strahlen an der Eintrittsapertur und θ« der Öffnungs¬ winkel der Strahlung an der Austrittsapertur ist.
    [0020] Um möglichst viel direkte Sonnenstrahlung zu empfangen, muß ein statischer Konzentrator einen großen Öffnungs¬ winkel 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 Kulmina- tionspunkt der Sonne, andererseits bis in die Nähe des südlichen Horizonts reichen. Bei gestaffelt hinter¬ einander stehenden Kollektoren oder Konzentratoren kann die Begrenzung beim unteren Kulminationspunkt der Sonne liegen. In Ost-West-Richtung hingegen muß der öffnungs- winkel 180° betragen. Diese Bedingungen führten zu der Trogform des in Fig. 1 dargestellten statischen Kon¬ zentrators mit eindimensionaler Konzentration, für den die Liouville'sehe Bedingung lautet:
    [0021] d- n, sin ——θ1 = d2 2 sin —-θ—2
    [0022] wobei d- und d- die oben erwähnten Abstände der Seiten¬ wände 2, 3 bzw. die Breiten des Konzentrators 1 an der Eintrittsapertur läche und der Austrittsaperturfläche bedeuten.
    [0023] Fig. 2 zeigt eine zweistufige Konzentratoranordnung 1.0 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.
    [0024] 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 gegen¬ überliegenden Seite optisch und mechanisch mit einer Struktur 13 zur nichtabbildenden Konzentration von Licht verbunden. Die Struktur 13 bewirkt eine zwei¬ stufige Konzentration des Lichtes in linear-eindimen¬ sionalen ersten Stufen 14 und zweidimensionalen zweiten Stufen 15.
    [0025] Die ersten Stufen 14 haben die in Fig. 1 dargestellte Gestalt eines aus Glas oder Plastik geformten Troges. An der Austrittsaperturfläche der ersten Stufen sind jeweils eine Vielzahl von zweiten Stufen 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 Sei¬ tenwände 16, 17 und der Vorderwände 18 sowie der Hin- terwande 19 enden jeweils an einer Bodenfläche 20, die mit einer Solarzelle 21 optisch gekoppelt ist.
    [0026] Wie sich aus den Fig. 2 bis 4 ergibt, haben die ersten Stufen 14 rechteckförmige Eintrittsaperturen und recht- eckförmige Austrittsaperturen, während die sich be¬ rührenden zweiten Stufen 15 quadratische Eintritts- und Austrittsaperturen aufweisen. Die zweiten Stufen 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 quadra¬ tisch sind. Die Liouville'sche Bedingung wird dann optimal ausge¬ schöpft, wenn θ2 = 180° gilt. Dies wird beim linearen Trogkonzentrator mit einem brechenden Medium, dessen Brechungsindex größer als 1 ist, nur in der Nord-Süd- Richung, nicht aber in der Ost-West-Richtung erreicht. Nach dem Brechungsgesetz haben in Luft horizontale Strahlen nach Eintritt ins Medium eine Divergenz θ*, die gegeben ist durch
    [0027] sin θ'/2 = i/n
    [0028] Durch eine zweidimensionale Konzentration kann diese Divergenz auf 90° erhöht werden. Bei der erfindungs¬ gemäßen zweistufigen Konzentratoranordnung 10 wird dies dadurch erreicht, daß in den linearen ersten Stufen 14 die Nord-Süd-Strahlen auf die gleiche Divergenz ge¬ bracht werden wie die Ost-West-Strahlen (durch Zerle¬ gung in senkrechte Komponenten gilt diese Betrachtung auch für alle schräg einfallenden Strahlen).
    [0029] Somit sind die Abmessungen d- und d2 der ersten linear¬ parabolischen Stufe 14 gegeben durch
    [0030] d 1 sin θ/2 ■ d2 n sin θ'/2,
    [0031] wobei θ der durch die oben angegebenen Bedingungen bestimmte Nord-Süd-Eintrittswinkel ist. Somit ergibt sich
    [0032] d1/d2 = C1 = 1/sin θ/2-
    [0033] Da nunmehr die Strahlung axialsymmetrisch ist, kann sie in den zweiten Stufen 15 zweidimensional weiter kon¬ zentriert werden bis θ2 = 180°. Es gilt
    [0034] A- n sin' θ'/2 = A2 sin^TT /2
    [0035]
    [0036] A. und A2 sind die den zweiten Stufen 15 zugeordneten Eintritts- und Austrittsaperturflächen.
    [0037] 2
    [0038] Die Gesamtkonzentration ist C. x C =
    [0039] '1 2 sin θ/2
    [0040] Vergleicht man dies mit der konventionellen einstufigen Konzentration von
    [0041] d, n d2 sin Θ-/2
    [0042] so erkennt man, daß man einen Faktor n gewinnt.
    [0043] Die zweiten Stufen 15 können aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex n2 bestehen, der größer als der Brechungsindex n- des transparenten Materials der ersten Stufen 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 zweiten Stufen 15
    [0044] A1 n2 sin2 θ2/2 = A2 n2 ;
    [0045] A1 2 ~~~ ~ ~ A2 2 2 Die volle Konzentration ist dann n2 / (sin θ/2), also als ob die ganze Konzentratoranordnung 10 aus dem
    [0046] Material mit dem Brechungsindex n2 bestehen würde.
    [0047] 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.
    [0048] In der nachfolgenden Tabelle sind quantitative Bei¬ spiele für θ/2 = 23,5° aufgeführt.
    [0049] Linearer Trogkonzentrator Zweistufiger Konzentrator Zweistufiger Konzentrator Zweistufiger Konzentrator
    [0050] Gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 mit einem Kon¬ zentrationsfaktor von 3,76 werden mit der Konzentrator¬ anordnung 10 je nach den Brechungsindizes der ersten Stufen 14 und zweiten Stufen 15 deutlich höhere Kon- zentrationsfaktoren zwischen 5,64 und 10,03 erreicht.
    [0051] Der Öffnungswinkel θ- der ersten Stufen 14 ist so gewählt, daß bei Ausrichtung der Konzentratoranordnung 10 nach Süden mit optimaler Neigung der Ort der Sonne bei Sonnenhöchststand noch in den Akzeptanzbereich fällt und die andere Begrenzung des Öffnungswinkels mindestens den minimalen Kulminationspunkt der Sonne enthält. Der lineare Konzentrationsfaktor C. der ersten Stufen 14 ist so' gewählt, daß der auf die Nord-Süd- Richtung projizierte Öffnungswinkel der Strahlen an der Austritts läche die Bedingung C.. = 1/(sin Θ./2) er¬ füllt.
    [0052] Bei einer Konzentratoranordnung 10, die aus einem einheitlichen Medium mit dem Brechungsindex n besteht, wird der Konzentrationsfaktor C, der zweiten, zwei- dimensionalen Stufe 15 so gewählt, daß C2 - n 2 gilt.
    [0053] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die ersten Stufen 14 aus einem Material mit einem Brechungsindex n- und die zweiten Stufen 15 aus einem anderen Material mit einem
    [0054] Brechungsindex n2 hergestellt sind, der größer als der
    [0055] Brechungsindex n- ist. In einem solchen Fall läßt sich erreichen, daß die Konzentration der zweiten Stufen 2 C2 = n2 ist.
    [0056] 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 ersten Stufe 14, an deren Austrittsöffnungen sich berührende Elemente der zweiten Stufen 15 befinden.
    [0057] Die Platte 11, die ersten Stufen 14 und die zweiten Stufen 15 können, insbesondere wenn sie aus einem Material mit gleichem Brechungsindex hergestellt sind, können einstückig hergestellt werden. Wenn verschiedene Materialien benutzt werden, werden die einzelnen Stufen 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.
    [0058] Die oben beschriebene Struktur mit zweistufiger Kon¬ zentration stellt die optisch beste Lösung dar. Sie hat jedoch eine gewisse Bauhöhe, die mit einem Materialauf¬ wand verbunden ist. Eine einstufige Version ist kürzer, wenn auch optisch weniger effektiv. Diese Version konzentriert in der Nord-Süd-Richtung stärker als in der Ost-West-Richtung und erfordert daher rechteckige an Stelle quadratischer Solarzellen 21. Fig. 5 zeigt einen einzelnen Konzentrator für eine einstufige Ver¬ sion, dessen Stirnseiten 4 und 5 wie die Vorderwände 18 und 19 der zweiten Stufen 15 parabelförmig gekrümmt sind.
    [0059] Nach den"schon dargelegten Prinzipien sind die Dimen¬ sionen nach Fig. 5
    [0060] lineare Nord-Süd-Konzentration
    [0061] SN a2 sin i.,/2
    [0062] mit <_ = Eintrittsöffnungswinkel, n = Brechungsindex lineare Ost-West-Konzentration
    [0063] Gow " " n ' b2
    [0064] Gesamtkonzentration a1b1 n a2b2 sin Φ../2
    [0065] Diese Strukturen können, wie oben beschrieben, mit einer durchgehenden Platte 11 verbunden sein, was in Fig. 6 veranschaulicht ist und an den optischen Ver- hältnissen nichts ändert.
    [0066] Auch die im Gegensatz zu den quadratischen zweiten
    [0067] Stufen 15 rechteckigen Konzentratoren 22 können, wie in
    [0068] Fig. 7 veranschaulicht ist, mit zwei Materialien 23, 24 verwirklicht werden, deren Brechungsindizes n1 und τx sind. Die Stirnflächen 4, 5 des in Fig. 7 dargestellten Konzentrators 22 sind ebenso wie die Vorderwände 18 und Hinterwände 19 der zweiten Stufe 15 parabelförmig gebogen. Die zusätzliche Konzentration ist dann
    [0069] a2 b2 n2 a- n2 b_, d.h. —- = _ . »— 7-7 : r— = n. a3 b3 " n1 ' a3 " sin f1/2 ' b3 " 2
    [0070] Diese Gleichungen enthalten die Dimensionierungsvor- Schriften für die Längen des Konzentrators 22, wobei a, , a2 und a, die Abmessungen in Nord-Süd-Richtung und b, , b2 und b, die Abmessungen in Ost-West-Richtung an der Eintrittsapertur des Konzentrators 22 , am Übergang zum zweiten Material 24 und an der Austrittsapertur bedeuten.
    [0071] In den Fig. 8a, 8b und 8c sind Kontaktgeometrien für die Solarzellen 21 in Verbindung mit den Austritts¬ aperturen 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 Stromsamraelkontakte 26 (Busbars) außerhalb der beleuchteten Flächen der Solarzellen 21 angeordnet werden, wie dies in Fig. 8 veranschaulicht ist. Fig. 8a zeigt dabei den Verlauf der Stromsammeischiene 26 außerhalb des Umfangs des unteren Endes einer zweiten Stufe 15. Fig. 8b zeigt eine Draufsicht auf die Solar¬ zelle 21 vor der Befestigung an der zweiten Stufe 15. Fig. 8c zeigt eine Gestaltungsmöglichkeit bei einer rechteckigen Solarzelle 21, die zusammen mit einem Konzentrator 22 zum Einsatz kommt.
    权利要求:
    Claims PATENTANSPRÜCHE
    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 einer Konzentratorstruktur aus trogförmigen nichtabbil¬ denden Konzentratorelementen mit parabelförmig gekrümmten Seitenwänden verbunden ist, dadurch gekennzei chnet , daß die Konzentratorele- mente (15, 22) nach allen vier Himmelsrichtungen weisende parabelförmig gekrümmte Spiegelflächen (2, 3, 4, 5, 16, 17, 18, 19) aufweisen.
    2. Konzentratoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die parabelförmig gekrümmten Spiegelflächen (2, 3, 4, 5) an in Draufsicht rechteckförmigen Konzentratorelementen (22) ausgebildet sind.
    3. Konzentratoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die parabelförmig gekrümmten Spiegelflächen (16, 17, 18, 19) an in Draufsicht quadratischen Konzentratorelementen (15) ausgebildet sind.
    4. Konzentratoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die in Draufsicht quadratischen Konzentratorelemente als zweite Stufen (15) mit als erste Stufen (14) dienenden linear-eindimensionalen Konzentratorelementen optisch gekoppelt sind. 5. Konzentratoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennz ei chnet , daß die in Draufsicht rechteckigen mit parabelförmig gekrümmten Seiten¬ wänden (2, 3, 4,
    5) versehenen Konzentratorelemen- te (22) in Lichteinfallsrichtung aus zwei Materi¬ alien (23, 24) mit unterschiedlichen Brechungsin¬ dizes bestehen.
    6. Konzentratoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzei chnet , daß die zweiten Stufen
    (15) aus einem Material mit einem anderen Bre¬ chungsindex als dem des Materials der ersten Stufe
    (14) bestehen.
    7. Konzentratoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzei chnet , daß das den Solarzellen (21) benachbarte Material den höheren Brechungsindex aufweist.
    8. Konzentratoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennze i chnet , daß die zweiten Stufen
    (15) in Längsrichtung der ersten linear-eindimen¬ sionalen Stufen (14) sich gegenseitig berührend angeordnet sind.
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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