Sonnenkollektormodul

Die Herausforderung

Mit einem Wirkungsgrad von deutlich über 40% halten die am Frauenhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg entwickelten Mehrfachsolarzellen den Weltrekord bei der Umwandlung der Energie der Sonnenstrahlung in elektrischen Strom. Dafür ist eine mindestens 500-fache Konzentration des Sonnenlichtes auf die Solarzellen erforderlich, die entsprechend dem Stand der Technik mit zweiachsig nachgeführten Fresnel-Linsen erreicht wird. Die dafür entwickelte Technik nutzt geprägte Fresnellinsen aus Silikon, die auf eine Glastafel aufgeklebt werden. Auf einer zweiten, den Fresnellinsen gegenüberliegenden Glasscheibe sind im Brennpunkt der Fresnellinse die Solarzellen montiert. Eine umgebende Zarge schützt das optische System vor Umwelteinflüssen und Verschmutzung, muss dabei aber lufttechnisch konditioniert werden, um Beeinträchtigungen z.B. durch Kondensat zu vermeiden. Im Wettbewerb mit einfachen Solarzellen, deren Wirkungsgrad bei etwa 15% liegt, konnte sich die konzentrierende Photovoltaik bisher nicht durchsetzen, obwohl weiterhin eine weltweite Nachfrage nach einer leistungsfähigen konzentrierenden Photovoltaik besteht. Ausgehend davon stellt sich die nachfolgend näher erläuterte Erfindung der Aufgabe, ein elementiertes System für die Serienfertigung sogenannter CPVT-Module (Concentrated Photovoltaic Thermal Module) anzugeben, das bei einer nur einachsigen Nachführung die Leistungsfähigkeit der Mehrfachsolarzellen mit einem Konzentrationsfaktor von bis zu 1000 Sonnen optimal nutzt und dabei die Solarzellen aktiv kühlt und die Optik sicher und dauerhaft vor Umwelteinflüssen schützt. Ist es möglich, ein Sonnenkollektormodul als ein Element einer Solaranlage zu entwickeln, das bei einachsiger Nachführung zum jeweiligen Stand der Sonne die Sonnenstrahlen mit einer bis zu 1000-fachen Konzentration auf hocheffiziente Mehrfachsolarzellen bündeln kann, um Strom im kraftwerkstechnischen Maßstab zu erzeugen?

Die Erfindung

Das RES-Sonnenkollektormodul besteht aus einem ersten Konzentratorelement vorzugsweise aus einer Parabolrinne, das dazu ausgebildet ist, die in unterschiedlichen Höhen- und Azimut-Winkeln einfallenden Sonnenstrahlen bei einachsiger Nachführung auf die Brennlinie der Parabolrinne zu fokussieren, sowie aus einem zweiten Konzentratorelement, das aus einer innenseitig verspiegelten Glasröhre besteht, an deren Stirnseite eine Anordnung von Mehrfachsolarzellen die konzentrierte Sonnenstrahlung empfängt. Damit das von der Parabolrinne fokussierte Sonnenlicht in die lichtleitende Glasröhre eingekoppelt werden kann, hat die Glasröhre an ihrer Längsseite ein streifenförmiges Fenster, das auf der Brennlinie der Parabolrinne liegt, wobei die innenliegende Spiegelschicht unterbrochen ist. Steil einfallende Sonnenstrahlen, wie sie in Stuttgart zur Zeit der Sommersonnenwende mit einem Einfallswinkel von etwa 65° gegeben sind, würden innerhalb der lichtleitenden Glasröhre sehr viele Reflexionen benötigen, um die an einer Stirnseite angeordneten Solarzellen zu erreichen. Da mit jeder Reflexion ca 2% der Strahlungsenergie verloren gehen, kommt es entscheidend darauf an, die Anzahl der Reflexionen innerhalb der lichtleitenden Glasröhre auf unter zehn zu begrenzen. Deshalb wird die lichtleitende Glasröhre von einem konzentrisch und koaxial zu der Brennlinie der Parabolrinne angeordneten Prismenröhre umgeben. Die Prismenröhre ist z.B. in sechs Sektoren unterteilt und trägt in jedem Sektor unterschiedlich ausgebildete, quer zu der Brennlinie des Parabolspiegels angeordnete Prismen, denen die Aufgabe zukommt, die von der Parabolrinne auf die Brennlinie fokussierten, steil einfallenden Sonnenstrahlen so abzuflachen, dass die Zahl der Reflexionen innerhalb der lichtleitenden Glasröhre zu jeder Tages- und Jahreszeit auf deutlich unter zehn Reflexionen begrenzt werden kann. Um diese Aufgabe zu erfüllen, wird das in sechs Sektoren geteilte Prismenrohr, periodisch um die Brennlinie der Parabolrinne gedreht, sodass für jeden Höhenwinkel der Sonne über die gesamte Zeit der Sonneneinstrahlung eines Tages ein geeignetes Prisma bereitgestellt wird. Für die Periode des Sonnenaufgangs und des Sonnenuntergangs ist ein Sektor des gläsernen Prismenrohrs mit parallelen Wandungen ausgebildet, da die ohnehin flach einfallende Morgen- und Abendsonne keine Umlenkung der Strahlung erfordert. Die sechs Sektoren kommen sowohl vormittags als auch nachmittags jeweils für eine dem Standort entsprechende Zeitdauer zum Einsatz, wobei das Prismenrohr am Vormittag gegen und am Nachmittag im Uhrzeigersinn dreht, um einen der Sektoren z.B. für ca. 1 Stunde auf die Einstrahlung auszurichten. Um den größtmöglichen Wirkungsgrad der Mehrfachsolarzellen zu erzielen, ist eine Kühlung der Solarzellen auf ihrer strahlungsabgewandten Seite vorgesehen, wobei die an den Mehrfachsolarzellen absorbierte Wärme auf ein Wärmeträgerfluid mit Vorlauf und Rücklauf übertragen wird. Zu dem Gesamtwirkungsgrad von etwa 70% trägt die photovoltaische Komponente etwa 30% und die solarthermische Komponente etwa 40% bei.

Die Vorteile

Hoher Gesamtwirkungsgrad durch die Synergie von Photovoltaik und Solarthermie
Vollständige Ausnutzung der überbaubaren Fläche, weitgehend ohne Rest- und Abstandsflächen
Reduktion der Windlasten und optische Präzision aufgrund der einfachen Nachführung
Industrielle Serienfertigung der Receiver-Einheit als kompaktes "Hightechprodukt"
Weltweite Einbeziehung lokaler Glasveredler für die Herstellung des Parabolspiegels und der Tragkonstruktion
Optimaler Schutz der Mehrfachsolarzellen und des Lichtleiters durch Herstellung einer evakuierten lichtleitenden Glasröhre

Die Anwendungen

Stromerzeugung im kraftwerkstechnischen Maßstab
Nutzung des photovoltaischen Stroms und der Wärme, z.B. an einem Gebäude
Nutzung des konzentrierten Sonnenlichtes für ein Tageslichtsystem, das das Sonnenlicht zu einer Mehrzahl von Tageslichtquellen im Inneren eines Gebäudes leitet.
Ausbildung eines Strom und Wärme erzeugenden Sonnenschutzsystems für ein Gebäude