Solaranlage

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Solaranlage mit einem Sonnenenergiekonzentrator und mit einem Sonnenenergiewandler, der zur Umwandlung von Sonnenener- gie in Strom und/oder Wärme dient.

Bei bekannten Solaranlagen mit einem Parabolspiegel als Sonnenenergiekonzentrator wird Sonnenlicht auf ein Konzentratorfeid des Sonnenenergiewandlers in gebündelter Form reflektiert, so dass dort eine entsprechend höhere Ener- giedichte vorliegt. Dabei wird das Licht zentriert, kreis- oder punktförmig, aber nicht gleichmäßig und homogen gebündelt. Ist auf dem Konzentratorfeid ein Feld aus mehreren Solarzellen angeordnet, ergibt sich durch die Bündelung des Parabolspiegels folgender Nachteil: Solarzellenfelder liefern bei einem homogenen Lichtfeld höhere Energieerträge als bei einem nicht homogenen Licht- feld. Werden keine zusätzlichen Maßnahmen (z.B. der Einbau einer Linse zum gleichmäßigen Verteilen/Streuen des Lichts auf die Solarzelle) getroffen, wird die Energie des konzentrierten Lichts des Parabolspiegels nur zum Teil genutzt, da die beleuchteten Solarzellen unterschiedliche Leistung aufweisen und als Zellenfeld die Energie des Lichts nicht optimal wandeln. Kreisförmige Lichtfelder haben dazu einen weiteren Nachteil: Die Solarzellen, die üblicherweise eckig sind, werden in dem kreisförmigen Konzentrationsfeld entweder nur zum Teil beleuchtet, oder ein Teil des reflektierten Lichtes gelangt nicht auf die auf dem Konzentratorfeid angeordneten Solarzellen.

BESTäTSGUNGSKOPlέ

Aus der DE 10 2004 054 755 A1 ist eine Solaranlage mit einem Sonnenener- giekonzentrator bekannt, der eine Vielzahl von ebenen Spiegelzellen umfasst. Die Spiegelzellen können durch einzelne Stelleinheiten so ausgerichtet werden, dass sie Sonnenstrahlen in ein Konzentratorfeid eines Sonnenenergiewandlers der Solaranlage reflektieren. Durch die Vielzahl der ebenen Spiegelzellen, die jeweils eine gleiche quadratische Form aufweisen, wird das Sonnenlicht in dem Konzentratorfeid gleichmäßig und homogen gebündelt, so dass Solarzellen auf dem Konzentratorfeid effizienter genutzt werden können. Die Solaranlage ist jedoch sehr aufwändig aufgebaut und daher nicht kostengünstig herzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Solaranlage bereitzustellen, die Sonnenenergie effizient ausnutzt und kostengünstig hergestellt werden kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit der Merkmalskombination nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele können den Unteransprüchen entnommen werden.

Die Solaranlage gemäß Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass jede Spie- gelzelle in Abhängigkeit der Lage zum Konzentratorfeid des Sonnenenergiewandlers einen individuellen Zuschnitt aufweist, so dass im Betrieb der Solaranlage die auf das Konzentratorfeid reflektierten Spiegelbilder der einzelnen Spiegelzellen in Position, Form und Größe gleich sind.

Da jede Spiegelzelle eine individuelle Lage zum Konzentratorfeid hat, muss jede Spiegelzelle individuell geneigt sein, damit Sonnenstrahlen immer auf das Konzentratorfeid reflektiert werden. Dies führt zu unterschiedlichen Einfallswinkeln, mit denen die Sonnenstrahlen auf die Spiegelzellen treffen.

Je größer ein Einfallswinkel des Sonnenlichts für eine Spiegelzelle ist, desto mehr weicht die Form dieser Spiegelzelle von der Form des Spiegelbilds ab, welches durch diese Spiegelzelle auf dem Konzentratorfeid reflektiert wird. Somit weist jede Spiegelzelle nur eine Fläche auf, die notwendig ist, um im Kon- zentratorfeld ein konzentriertes und homogenes Licht zu erzeugen. überflüssi-

ge Spiegelflächen können dadurch vermieden werden, so dass die Spiegelzellen kompakt angeordnet werden können, was insgesamt zu einem kleineren Materialaufwand für den Sonnenenergiekonzentrator und somit zu niedrigeren Kosten führt.

Auf dem Konzentratorfeid kann eine Solarzelle oder ein Array von Solarzellen angeordnet sein, so dass durch die erfindungsgemäße Solaranlage photovoltai- scher Strom erzeugt werden kann. Aufgrund der höheren Energiedichte durch die Bündelung der Lichtes werden vorzugsweise Konzentratorzellen verwendet, die beispielsweise bereits aus der photovoltaischen Nutzung der Sonnenenergie im Weltall bekannt sind, wobei die Konzentratorzellen Germanium oder Germanium-Substrate umfassen können. Die im Weltall vorliegende Energiedichte der Sonnenenergie kann durch die Bündelung der terristischen Sonnenenergie auf dem Konzentratorfeid erreicht werden. Alternativ zur photovoltai- sehen Nutzung der Sonnenenergie kann die Solaranlage auch für andere Anwendungen genutzt werden, z.B. um einen Sterling-Motor anzutreiben oder einen Wärmeträger zu erhitzen, der einen Dampfprozess antreibt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Array von Solarzellen in sei- ner äußeren Form rechteckig. Soll dieses Array homogen mit gebündeltem Licht ohne überflüssige Anteile ausgefüllt werden, weisen die ebenen Spiegelzellen ebenfalls eine im wesentlichen rechteckige Form auf. Die Form des Ar- rays von Solarzellen bzw. die Form des Konzentratorfeides gibt somit die Form der Spiegelzellen vor. Bei einem rechteckigen Array sind die Spiegelzellen vier- eckig und weichen in ihrer Form mehr oder weniger von einem Rechteck ab. Spiegelzellen, auf die das Sonnenlicht mit einem größeren Einfallswinkel treffen, sind eher rautenförmig, während Spiegelzellen, auf die Sonnenlicht in einem sehr kleinen Einfallswinkel trifft, eher rechteckig sind und der äußeren Form des Arrays entsprechen. Das Konzentratorfeid kann grundsätzlich auch andere Formen annehmen (zum Beispiel Kreis, Oval, Vieleck), wobei sich daraus entsprechende Geometrien für die ebenen Spiegelzellen ableiten.

Der Sonnenenergiekonzentrator kann wenigstens einen Teilspiegel umfassen, auf dem eine Vielzahl von Spiegelzellen fest zueinander ausgerichtet sind. So-

mit ist es nicht notwendig, die einzelnen Spiegelzellen des Teilspiegels am Einsatzort der Solaranlage einzeln auszurichten. Es ist lediglich notwendig, den Teilspiegel gegenüber dem Konzentratorfeid des Sonnenenergiewandlers in eine richtige Ausrichtung zu bringen. Somit kann der Teilspiegel mit den Spie- gelzellen eine Einheit bilden, die in einer Fabrik mit sehr kleinen Fertigungsund Herstellungstoleranzen gefertigt werden kann.

Der Teilspiegel kann eine Form mit einer Vielzahl von unterschiedlich geneigten ebenen Auflageflächen umfassen, wobei jede Auflagefläche die Position und die Ausrichtung der Spiegelzelle gleichzeitig vorgibt. Die Auflageflächen weisen somit jeweils unterschiedliche Neigungen auf, wobei diese so zueinander höhenversetzt sein können, dass die Form, beispielsweise ein Blech, abgesehen von den geneigten Auflageflächen, flach ist und sich im Wesentlichen in einer Ebene erstreckt. Die Form kann am Rand abgeknickt sein oder andere Mittel aufweisen, um deren Stabilität zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann die Form in einen Rahmen oder Kasten beispielsweise aus Profilstahl gelegt werden.

Die Form kann durch einen Tiefziehprozess oder durch einen Pressvorgang hergestellt werden. Insbesondere bei einer Fertigung in großen Stückzahlen lassen sich gepresste Formen (zum Beispiel Bleche) kostengünstig herstellen, wodurch insgesamt die Herstellungskosten für die Solaranlage reduziert werden. Die Form, welche die feste Positionierung und Ausrichtung von einer Vielzahl von Spiegelzellen innerhalb eines Teilspiegels übernimmt, kann beispiels- weise auch ein Kunststoffteil sein.

Die Spiegelzellen können zurechtgeschnittene Glasscheiben umfassen, die an einer Oberseite mit einer reflektierenden Metallschicht versehen werden. Diese Glasscheiben werden auf die ebenen Auflageflächen des Bleches gelegt und beispielsweise durch Klebstoff daran befestigt. Alternativ kann auch ein anderes Material vorverspiegelt auf die Auflageflächen gelegt werden oder die Auflageflächen in der Form können direkt verspiegelt sein.

Zum Schutz vor Verschmutzung und anderen Umwelteinwirkungen (z.B. mechanische Einwirkungen) kann auf das Blech eine großflächige, reflexionsfreie Glasscheibe gelegt werden, die alle Spiegelzellen überdeckt. Diese reflexionsfreie Glasscheibe ist wesentlich einfacher zu reinigen als die vielen Spiegelzel- len. Somit kann der Teilspiegel einen flachen geschlossenen Kasten darstellen, der einfach transportiert und gehandhabt werden kann.

Die Auflageflächen können in Spalten und dazu senkrechten Reihen angeordnet sein. Somit lassen sich in einer quadratischen oder rechteckigen Form viele Spiegelzellen kompakt und platzsparend anordnen. Eine Anordnung der Auflageflächen und somit der Spiegelzellen kann jedoch auch anders ausgebildet sein. Beispielsweise können die Auflageflächen auf mehreren konzentrischen Kreisen angeordnet sein.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen zwei benachbarten Auflageflächen mit darauf angeordneten benachbarten Spiegelzellen eine Verbindungswand vorgesehen, die sich im Betrieb der Solaranlage parallel zu den reflektierten Sonnenstrahlen der Spiegelzelle erstreckt, die von den benachbarten Spiegelzellen weiter von dem Konzentratorfeid entfernt ist. Der Neigungs- winkel der Verbindungswand zu der Spiegelzelle beträgt dabei 90° zuzüglich einem Ausfallwinkel, mit dem die reflektierten Sonnenstrahlen von der Spiegelzelle in Richtung Konzentratorfeid verlaufen. Durch die Parallelität von Verbindungswand und reflektierten Sonnenstrahlen können benachbarte Spiegelzellen eng aneinander liegend angeordnet werden, ohne dass dadurch Raum oder Spiegelfläche verschenkt wird.

Mehrere Teilspiegel und der Sonnenenergiewandler können über eine Tragvorrichtung miteinander verbunden sein, wobei die über die Tragvorrichtung verbundenen Teilspiegel einen Spiegel des Sonnenenergiekonzentrators bilden. Der Spiegel kann vorzugsweise am Einsatzort der Solaranlage zusammengebaut werden. Die Teilspiegel liegen dabei in einer Spiegelebene, während der Sonnenenergiewandler in einem gewissen Abstand zu dieser Spiegelebene über den Teilspiegeln angeordnet ist. Die Teilspiegel sind dabei gegenüber dem Konzentratorfeid des Sonnenenergiewandlers am Standort der Solaranlage

auszurichten, was jedoch wesentlich einfacher ist als die individuelle Ausrichtung der Vielzahl von Spiegeizellen.

Die Teilspiegel eines Spiegels können baugleich ausgeführt sein. Beispielswei- se kann ein Spiegel vier Teilspiegel umfassen, die jeweils quadratisch sind und durch ihre Anordnung in zwei Reihen und zwei Spalten zu einer quadratischen Spiegelfläche führen. Der diesem Spiegel zugeordnete Sonnenenergiewandler ist zentral über der quadratischen Spiegelfläche angeordnet. Damit die einzelnen Spiegelzellen der vier Teilspiegel das Sonnenlicht auf das Konzentratorfeid werfen, muss der Teilspiegel entsprechend seiner Lage in der quadratischen Spiegelfläche richtig ausgerichtet sein. Die Teilspiegel sind dabei um jeweils 90° verdreht angeordnet.

Dis Tragvörric'ntung kann auf einem Hauptrahmen des Spiegelenergiekon- zentrators angeordnet sein, der über ein erstes Nachführsystem dem Stand der Sonne nachgeführt werden kann. Dieses erste Nachführsystem kann über vorberechnete Sonnenstandsdaten gesteuert sein.

Vorzugsweise ist die Tragvorrichtung gegenüber dem Hauptrahmen bewegbar gelagert, wobei über ein zweites Nachführsystem die Tragvorrichtung zur Sonne ausgerichtet werden kann. Das zweite Nachführsystem kann Stelleinheiten aufweisen, die für eine Bewegung der Tragvorrichtung bezogen auf den Hauptrahmen sorgen. Die Stelleinheiten können elektrisch oder hydraulisch angetrieben sein.

Somit ist es möglich, den Hauptrahmen über das erste Nachführsystem nur mit einer moderaten Genauigkeit (beispielsweise mit einer Toleranz bis 3°) nachzuführen, wodurch die dafür notwendige Mechanik (Stelleinheiten, Getriebe) einfach und damit kostengünstig aufgebaut sein können. Eine genaue Nachfüh- rung erfolgt über das zweite Nachführsystem. Da das zweite Nachführsystem nur innerhalb kleiner Winkelbereiche oder kleiner Wegabschnitte nachführen muss, können Bauteile des zweiten Nachführsystems vergleichsweise klein ausgeführt werden. Auch muss durch das zweite Nachführsystem nur ein Spiegel (Tragvorrichtung mit den Teilspiegeln) und der damit vorzugsweise fest ver-

bundene Sonnenenergiewandler nachgeführt werden, so dass die durch das zweite Nachführsystem bewegte Masse kleiner ist als die Gesamtmasse der Solaranlage. Sind mehrere Spiegel auf dem Hauptrahmen montiert, so ist für jeden Spiegel ein zweites Nachführsystem vorzusehen. Dadurch lassen sich nicht nur Ungenauigkeiten der Nachführung des ersten Nachführsystems ausgleichen, sondern auch Ungenauigkeiten, die durch die Verformung oder Wärmeausdehnung des Hauptrahmens herrühren.

Vorzugsweise ist die Tragvorrichtung und somit die damit verbundenen Teil- spiegel gegenüber dem Hauptrahmen um zwei zueinander gerichtete Schwenkachsen bewegbar gelagert.

Das zweite Nachführsystem kann Ausgangsgrößen mindestens zweier Solar- zeiien des Arrays auf dem Konzentratorfeid nutzen. Zum Beispiel kann man die Spannungswerte von vier an den äußeren Kanten des Arrays liegenden Solarzellen abgreifen. Gibt es keine Differenzen zwischen den Spannungswerten dieser vier Solarzellen, befinden sich die reflektierten Spiegelbilder genau auf dem Konzentratorfeid. Kommt es hingegen zu einer Abweichung der Spannungswerte, so kann durch eine Ausrichtung der Tragvorrichtung und damit der Teilspiegel die reflektierten Spiegelbilder genau in das Konzentratorfeid gesetzt werden. Auch kann das zweite Nachführsystem vier Lichtsensoren umfassen, die an den Außenkanten des Arrays angebracht sind. Auch hier werden, ähnlich wie bei den an den Außenkanten liegenden Solarzellen, Spannungswerte der Lichtsensoren miteinander verglichen, um daraus zu schließen, wie die Trag- Vorrichtung nachgeführt werden muss, damit die reflektierten Spiegelbilder genau auf das Konzentratorfeid fallen.

Die Verwendung eines ersten Nachführsystems und eines zweiten Nachführsystems kann auch bei einer Solaranlage verwendet werden, die eine sehr ge- naue Positionierung zur Sonne erfordert, bei der die reflektierten Spiegelbilder der einzelnen Spiegelzellen in Form und Größe nicht gleich groß sind. Auch müssen die Spiegelzellen nicht notwendigerweise eben sein. Somit ist eine Solaranlage mit einem Sonnenenergiekonzentrator, der eine Vielzahl von Spiegelzellen umfasst, und mit einem Sonnenenergiewandler, der zur Umwandlung

von Sonnenenergie in Strom und/oder Wärme dient und ein Konzentratorfeid aufweist, offenbart, wobei jede Spiegelzelle so ausrichtbar ist, dass sie Sonnenstrahlen auf das Konzentratorfeid reflektieren, wobei ein Hauptrahmen des Sonnenenergiekonzentrators über ein erstes Nachführsystem dem Stand der Sonne nachgeführt werden kann und wobei die Spiegelzellen oder Gruppen von Spiegelzellen gegenüber dem Hauptrahmen bewegbar gelagert sind, und wobei über ein zweites Nachführsystem, das eine höhere Genauigkeit aufweist als das erste Nachführsystem, die Spiegelzellen zur Sonne genau ausgerichtet werden können. Jede einzelne Spiegelzelle oder auch eine Gruppe von Spie- gelzellen können dabei gegenüber dem Hauptrahmen um zwei zueinander gerichtete Schwenkachsen bewegbar gelagert sein. Das zweite Nachführsystem kann Ausgangsgrößen wenigstens zweier Solarzellen des Arrays auf dem Kon- zentratorfeld nutzen. Alternativ ist eine Nutzung von Lichtsensoren auf dem Konzentratorfeid möglich.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind auf dem Konzentratorfeid Solarzellen angeordnet, wobei nicht der Energieumwandlung dienende Oberflächen der Solarzellen und Zwischenräume zwischen den Solarzellen, die für die Verkabelung genutzt werden, durch einen Ablenkspiegel überdeckt sind. Durch das Ablenken des Lichts durch den Ablenkspiegel erzielt man bei gleicher auf das Konzentratorfeid treffende Lichtmenge einen deutlich höheren Wirkungsgrad und damit einen höheren Stromertrag als bei einem Konzentratorfeid ohne Ablenkspiegel. Zudem bildet der Ablenkspiegel für die nicht der Energieumwandlung dienenden Oberflächen ein Wärmeschild, so dass insgesamt eine geringere Kühlung des Sonnenenergiewandlers notwendig ist.

Die Solarzellen können auf dem Konzentratorfeid in wenigstens zwei nebeneinander liegenden Reihen angeordnet sein, wobei die Solarzellen auf ihrer Oberfläche an einer Seitenkante eine stromsammelnde Fläche (Sammelleitung), die kein Sonnenlicht in Strom wandelt, aufweisen und so ausgerichtet sind, dass diese Seitenkante einer Solarzelle der einen Reihe und diese Seitenkante einer anderen Solarzelle der anderen Reihe sich gegenüberstehen. Somit bilden die nicht der Energieumwandlung dienenden Anteile der Solarzellen der beiden

Reihen und die Zwischenräume zwischen den beiden Zellen eine Gesamtfläche, die durch nur einen Ablenkspiegel überdeckt werden kann.

Das Vorsehen eines Ablenkspiegels zur überdeckung von Flächen, die auf dem Konzentratorfeid nicht zur photovoltaischen Stromerzeugung genutzt werden können, kann auch unabhängig von der Form der Sonnenenergiekonzentration vorgenommen werden. Somit ist ein Sonnenenergiewandler mit einem Konzen- tatorfeld bekannt, auf dem Solarzellen angeordnet sind, die Bereiche aufweisen, welche nicht zur Energieumwandlung dienen bzw. genutzt werden können, wobei diese Bereiche durch wenigstens einen Ablenkspiegel abgedeckt sind, der die Lichtstrahlen auf die der Energieumwandlung dienenden Flächen reflektiert. Vorzugsweise sind die Solarzellen so zu gestalten und zueinander auszurichten, dass die nicht der Energieumwandlung dienenden Bereiche der Solarzellen zusammenhängen, damit möglichst nur ein Ablenkspiegel oder nur weni- ge Ablenkspiegel notwendig sind.

Die Vorteile der Solaranlage sind der hohe Wirkungsgrad, eine kostengünstige Herstellung, eine einfache Installation und eine hohe Wartungsfreundlichkeit. Die Bleche oder allgemein gesagt, die Spiegelzellenhalter, können einfach in großen Mengen aus Kunststoff oder Metall hergestellt werden. Der Sonnenenergiewandler mit seinem Konzentratorfeid kann vergleichweise große Solarzellen aufnehmen, so dass gegenüber Lösungen mit vielen kleinen Solarzellen der technische Aufwand geringer ist. Durch das Ablenken des Lichts von nicht der Energieumwandlung dienenden Flächen auf stromerzeugende Flächen kann man bei gleicher auf das Konzentratorfeid treffender Lichtmenge einen deutlich höheren Stromertrag erzielen.

Die vorgeschlagene Zweiteilung der Sonnennachführung in ein erstes grobes Nachführsystem und in ein zweites feines Nachführsystem der zu bildenden Einheit von Spiegel und Konzentratorfeid ist eine kostengünstige Lösung, um die Spiegelbilder der Spiegelzellen auf dem Konzentratorfeid zu halten.

Die Bauweise der Teilspiegel ist wegen der Aufteilung der Spiegeloberfläche in viele kleine Spiegelzellen so flach, dass sie einfach mit einer Glasscheibe be-

deckt und geschützt werden können. Damit wird die Reinigung der Teilspiegel vereinfacht. Durch das Zusammenfassen von vielen unterschiedlichen Spiegelzellen in einen Teilspiegel oder in wenige Teilspiegel wird die Herstellung von vielen präzise eingemessenen Spiegelzellen in wenigen Herstellungsprozessen möglich. Auch wird die Nachführung der Spiegelzellen durch deren festen Position und Ausrichtung in einem Teilspiegel vereinfacht.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Solaranlage mit

Sonnenenenergiekonzentrator und Sonnenenergiewandler;

Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Teilspiegel in der Draufsicht (Figur 2a) und in zwei Schnitten (Figuren 2b, 2c);

Figur 3 eine Anordnung von vier Teilspiegeln;

Figur 4 eine Anordnung von 16 Teilspiegeln mit einem darüber angeordneten Sonnenenergiewandler;

Figur 5 die Ausrichtung der Teilspiegel der Figur 4 in schematischer

Darstellung;

Figur 6 eine Solaranlage in einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Figur 7 schematisch eine Lagerung eines Spiegels gegenüber einem Hauptrahmen eines Sonnenenergiekonzentrators;

Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Sonnenenergie-

Wandler; und

Figur 9 eine Solarzelle.

Figur 1 zeigt in schematischer Weise ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Solaraniage, die in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet wird. Die Solaranlage 1 umfasst einen in Figur 1 lediglich als Block dargestellten Sonnenenergiewandler 10 und einen Sonnenenergiekonzentrator 30, der in Figur 1 ausschnittsweise dargestellt ist. Der Sonnenenergiekonzentrator 30 umfasst mehrere ebene Spiegelzellen 31 , die auf Auflageflächen 32 einer Form 33 aufliegen, die als umgeformtes oder gepresstes Blech ausgebildet ist. Die Spiegelzellen 31 sind auf den Auflageflächen 32 aufgeklebt. Sonnenstrahlen 2 treffen auf den Sonnenenergiekonzentrator 30 und werden durch die einzelnen Spie- gelzellen 31 auf ein Konzentratorfeid 11 des Sonnenenergiewandlers 10 reflektiert. Das Konzentratorfeid 11 weist eine quadratische Form mit der Kantenlänge a auf.

Die Lichtstrahien, die von den einzelnen Spiegelzellen reflektiert werden, wer- den mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Der Sonnenenergiekonzentrator 30 ist senkrecht zu den einfallenden Sonnenstrahlen 2 ausgerichtet. Das heißt, die Sonnenstrahlen 2 fallen senkrecht auf eine Hauptebene E des Son- nenenergiekonzentrators 30, in der eine Glasscheibe 34 liegt. Die Glasscheibe 34 dient dazu, die darunter liegenden Spiegelzellen 31 vor Verschmutzung und anderen Umwelteinflüssen zu schützen.

Die Sonnenstrahlen 2 treffen mit einem Einfallswinkel α auf die jeweiligen Spiegelzellen 31. Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, ist für jede Spiegelzelle dieser Einfallswinkel α unterschiedlich groß. Für die Spiegelzelle 31a, die x-Richtung den kleinsten Abstand zu dem Sonnenenergiewandler 10 aufweist, ist der Einfallswinkel α am kleinsten, während für die Spiegelzelle 31c, die in x-Richtung am weitesten entfernt von dem Sonnenenergiewandler 10 angeordnet ist, der Einfallswinkel α am größten ist.

Jede Spiegelzelle 31 weist einen individuellen Zuschnitt auf, so dass das durch sie reflektierte Spiegelbild auf dem Konzentratorfeid 11 genau der Größe und Form des Konzentratorfeids 11 entspricht. Beispielsweise weist die Spiegelzelle 31a eine Länge L auf, durch die sichergestellt wird, dass das Konzentratorfeid 11 mit seiner Kantenlänge a vollständig ausgeleuchtet wird. Wie der Figur 1 zu

entnehmen ist, verkleinert sich die Länge L, die der übersicht halber exemplarisch nur bei der Spiegelzelle 31a eingezeichnet ist, mit größer werdendem Abstand in x-Richtung.

Wenn die Spiegelzellen 31 in einer Richtung Y, die sich in die Zeichenebene der Figur 1 erstreckt, gegenüber dem Konzentratorfeid nicht versetzt sind, entspricht eine Breite der Spiegelzellen 31 der Kantenlänge a des quadratischen Konzentratorfeides 11. Bei einem Versatz der Spiegelzellen 31 in Y-Richtung müssten die Spiegelzellen 31 nicht nur wie Figur 1 dargestellt geneigt sein, sondern auch quer zur Zeichenebene, damit die Spiegelbilder der Spiegelzellen 31 auf das Konzentratorfeid 11 fallen. Dies würde jedoch auch eine Anpassung der Breite der einzelnen Spiegelzellen 31 bedeuten. Wie im folgenden noch näher erläutert wird, weichen bei in Spalten und Reihen angeordneten Spiegelzellen deren Zuschnitte mehr oder weniger von einem Rechteck ab.

Zwischen zwei benachbarten Auflageflächen 32a, 32b ist eine Verbindungswand 35 vorgesehen, die zur Normalen der Hauptebene E des Sonnenenergie- konzentrators 30 um den zweifachen Einfallswinkel 2α geneigt ist. Somit erstreckt sich die Verbindungswand 35 parallel zu den reflektierten Sonnenstrah- len 3 der Spiegelzelle 31b. Durch diese Ausrichtung der Verbindungswand 35 wird sichergestellt, dass durch die Spiegelzelle 31b kein Licht auf die Verbindungswand 35 geworfen wird, sondern vollständig auf das Konzentratorfeid 11 gelangt. Eine ungehinderte Reflexion ließe sich auch dadurch erreichen, dass die Verbindungswand 35 gegenüber den einfallenden Sonnenstrahlen 2 stärker geneigt wäre. Jedoch hätte dies zur Folge, dass die Spiegelzellen 31 in x- Richtung weiter zueinander beabstandet wären, wodurch die Ausmaße des Sonnenenergiekonzentrators 30 bei gleicher Energiedichte beim Sonnenenergiewandler 10 größer würden. Dies bedeutet jedoch mehr Platzbedarf und auch einen größeren Materialeinsatz zum Positionieren und Ausrichten der einzelnen Spiegelzellen.

Das Blech 33 weist durch die zueinander im Winkel stehenden Auflageflächen und den dazwischen angeordneten Verbindungswänden eine hohe Steifigkeit

auf. Durch einen abgekanteten Rand 36 lässt sich die Steifigkeit des Bleches 33 weiter erhöhen.

In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist zwischen der die Spiegelzellen 31 abdeckenden Glasscheibe 34 und den jeweils oberen Kanten 37 der Spiegelzellen 31 praktisch kein Spalt vorgesehen. Die oberen Kanten 37 der Spiegelzellen 31 liegen dabei in der Hauptebene E bzw. in einer Ebene parallel zu dieser Hauptebene E. Dadurch kann der Sonnenenergiekonzentrator vergleichsweise flach gebaut werden und weist gegenüber einem raumgreifenden Para- bolspiegel hinsichtlich Transport und Handling Vorteile auf.

Figur 2 zeigt drei verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen Sonnenenergiekonzentrator 30. Im Folgenden werden Bauteile oder Merkmale, die zu Bauteilen oder Merkmalen der Figur 1 ähnlich oder identisch sind, mit entsprechend gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 2a zeigt eine Draufsicht des Sonnenenergiekonzentrators 30 während die Figuren 2b und 2c Schnitte entlang der Linien l-l und N-Il zeigen.

Die Figuren 2b und 2c ähneln in ihrer Ansicht Figur 1. Auch hier sind die einzel- nen Spiegelelemente 31 im Schnitt bzw. von der Seite dargestellt, wobei die einzelnen Spiegelzellen 31 zu der Hauptebene E einen unterschiedlich großen Neigungswinkel aufweisen. In den Figuren 2a und 2b steigt der Neigungswinkel von links nach rechts an, während er in Figur 2c von unten nach oben ansteigt.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 handelt es sich um eine Anordnung von 14 x 14 Spiegelzellen 31 , die jeweils eine individuelle Neigung und auch einen individuellen Zuschnitt aufweisen. Bei entsprechender Ausrichtung des Sonnenenergiekonzentrators 30 senkrecht zu eingehenden Sonnenstrahlen erzeugen die 196 Spiegelzellen 31 auf dem hier nur hinsichtlich seiner Lage angedeuteten Konzentratorfeid 11a ein identisches Spiegelbild, das quadratisch ist und jeweils die gleiche Kantenlänge aufweist. Die ungefähre Lage des Kon- zentratorfeldes ist durch die gestrichelte Linie 11 a gekennzeichnet. Mit wachsendem Abstand in x- oder y-Richtung zur dargestellten Position des Kon- zentratorfeldes 11 a weicht der Zuschnitt der Spiegelzellen 31 immer mehr von

der Form eines Quadrates ab. Während eine Spiegelzelle 31 e eine nahezu quadratische Form aufweist, ist eine weit entfernte Spiegelzelle 31f eher eine Raute. Diese Raute erzeugt jedoch aufgrund ihrer Neigung genau das gleiche Spiegelbild auf dem Konzentratorfeid 11a wie die Spiegelzelle 31e. Dies gilt entsprechend auch für alle übrigen Spiegelzellen in dem Spiegelkonzentrator 30 der Figur 2.

Die Figuren 2a bis 2c verdeutlichen, dass der Spiegelkonzentrator die Form eines flachen Kastens hat, der übrigens auch oberseitig mit einer Glasscheibe 34 abgedeckt ist. Um eine möglichst geringe Bauhöhe zu realisieren, sind die einzelnen Spiegelzellen 31 in ihrer Höhe versetzt zueinander angeordnet, so dass die oberen Kanten 37 bzw. obere Ecken 38 wenigstens in etwa einen gleichen Abstand zu der abdeckenden Glasscheibe 34 aufweisen. Wie auch im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sollen, was der vereinfachten Darstellung der Figuren 2b und 2c nicht zu entnehmen ist, die Verbindungswände so geneigt sein, dass sie einerseits eine dichte Packung der Spiegelzellen erlauben und andererseits nicht zu den Wirkungsgrad der Solaranlage beeinträchtigenden Abschattungen führen. Eine Verbindungswand 35 ist dabei um den doppelten Winkel zu den einfallenden Sonnenstrahlen geneigt, mit dem eine äußere an der Verbindungswand 35 angrenzende Spiegelzelle 31 zur Hauptebene E geneigt ist.

Die 196 Spiegelzellen 31 der Figur 2 werden durch ein Blech in Position gehalten, das entsprechend der Anzahl der Spiegelzellen 196 unterschiedlich geneig- te Auflageflächen aufweist. Die genaue Lage der Spiegelzelle auf der Auflagefläche kann durch die angrenzenden Begrenzungswände erfolgen, an denen die Spiegelzelle bündig anliegt.

Eine Einheit von Spiegelzellen, die durch das einstückige Blech vorgegeben ist, kann einen Spiegelkonzentrator oder nur einen Teil davon darstellen. Im letzteren Fall soll die durch das einstückige Blech vorgegebene Einheit als Teilspiegel 39 bezeichnet werden. Entsprechend findet sich in Figur 2 dieses Bezugszeichen.

In Figur 3 sind vier quadratische Teilspiegel 39 dargestellt, die ein größeres Quadrat 40 bzw. einen aus vier Teilspiegeln 39 bestehenden Spiegel 40 darstellen. über dem Schnittpunkt der Mittelachsen 41 , 42 des Spiegels 40 ist in einer genau definierten Höhe das Konzentratorfeid 11 (nicht dargestellt) anzu- ordnen. Die Spiegelzellen 31 aller Teilspiegel 39 reflektieren ein identisches Spiegelbild auf dieses Konzentratorfeids.

Die vier zu einem Quadrat gelegten Teilspiegel 39 der Figur 3 weisen einen identischen Aufbau auf. Jedoch ist durch entsprechende Ausrichtung/Drehung der einzelnen Teilspiegel 39 sicherzustellen, dass die zur Hauptebene E am stärksten geneigte Spiegelzelle 31f jeweils an einer äußeren Ecke 43 des Spiegels 40 liegt. Entsprechend sind die am wenigsten zur Hauptebene E geneigten Spiegelzellen 31 e direkt am Schnittpunkt der Mittelachsen 41 , 42 angeordnet.

Figur 4 zeigt einen Spiegel 40, der 16 einzelne Spiegel 39 aufweist. Jeder Teilspiegel 39 ist durch ein einstückiges Metallblech gekennzeichnet, das durch einen geeigneten Herstellprozess (durch Umformen oder Pressen) mit unterschiedlich geneigten Anlageflächen versehen ist. Die Spiegelflächen 39 sind über eine Tragvorrichtung 44 oder Tragrahmen 44 verbunden, der aus mehre- ren zueinander beabstandeten Trägern 45 und die Träger 45 verbindenden Querprofile 46 besteht. Die Träger 45, die Querprofile 46 und die kastenförmigen Teilspiegel 39 verleihen dem Spiegel 40 eine sehr große Steifigkeit.

Mittig zum Spiegel 40 in einer gewissen Höhe ist der Sonnenenergiewandler 10 angeordnet, wobei das Konzentratorfeid 11 den Spiegelflächen der einzelnen Teilspiegel 39 gegenübersteht. Der Sonnenenergiewandler 10 wird durch vier stabile Stangen 47 in Position gehalten. Je nach Ausführung der Stangen 47 dienen sie nicht nur zur Positionierung des Sonnenenergiewandlers 10, sondern tragen im Sinne eines Fachwerks zur Steifigkeit des Spiegels 40 bei. Vor- zugweise sind die Stangen 47 und der Tragrahmen 44 auf gleichem Material, zum Beispiel feuerverzinkter Stahl, sodass ein möglicher Verzug der Einheit aus Spiegel 40 und Sonnenenergiewandler 10 durch Wärmeausdehnung vermieden wird.

Figur 5 zeigt in schematischer Weise die Ausrichtung der 16 Teilspiegel 39 des Spiegels 40 der Figur 4. Es handelt sich bei den 16 Teilspiegeln 39 um vier unterschiedliche Ausführungen, wobei eine baugleiche Ausführung mit 1 , 2, 3 oder 4 gekennzeichnet ist. In Figur 5 sollen somit die Bezugszeichen 1 bis 4 unter- schiedliche Ausführungen von Teilspiegeln 39 beschreiben. Damit alle einzelnen Spiegelzellen 31 der Teilspiegel 39 ein Spiegelbild auf genau ein Kon- zentratorfeld werfen, müssen die unterschiedlichen Ausführungen 1 , 2, 3 und 4 entsprechend der Figur 5 angeordnet sein. Beispielsweise befindet sich die Ausführung 3 jeweils an den äußeren Ecken 43, während Ausführung 1 sich jeweils in der Mitte des Spiegels 40 befindet. Die Teilspiegel 39 einer Ausführung sind jeweils um 90° zueinander verdreht.

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Solaranlage 1 , die einen Sonnene- πergiekonzentrator 30 mit insgesamt acht Spiegel 40 gemäß Figur 4 umfasst. Die acht Spiegel 40 werden durch einen Hauptrahmen 48 gehalten, von dem ein Zentralträger 49 nicht von den Spiegeln 40 überdeckt wird. Der Zentralträger 49 lässt sich um eine Längsachse 50 gegenüber einer Zentralstütze 51 verschwenken. Zudem lässt sich der Hauptrahmen 48 um eine vertikale Achse um die Zentralstütze 51 drehen, so dass der Sonnenenergiekonzentrator 30 als Ganzes der Sonne nachgeführt werden kann.

Jedem Spiegel 40 ist ein Sonnenenergiewandler 10 zugeordnet, so dass die Solaranlage 1 der Figur 6 insgesamt 128 Teilspiegel 39 und acht Sonnenene- nergiewandler 10 aufweist.

Die Drehung um die Zentralstütze 51 bzw. um den Zentralträger 39 erfolgt durch ein erstes Nachführsystem, so dass der Hauptrahmen 48 und die darauf angeordneten Spiegel 40 zur Sonne ausgerichtet sind. Des Weiteren existiert ein zweites Nachführsystem, durch die jeweils eine Einheit, bestehend aus ei- nem Spiegel 40 und einem Sonnenenergiewandler 10, durch ein zweites Nachführsystem feinjustiert werden kann. Das zweite Nachführsystem ist schematisch in Figur 7 dargestellt. Der Spiegel 40 ist gegenüber dem Hauptrahmen 48 um zwei Mittelachsen 41 , 42 drehbar gelagert. An einer äußeren Kante 52 ist ein Hydraulikzylinder 53 angeordnet, der sich an dem Hauptrahmen 48 abstützt.

Ein weiterer Hydraulikzylinder 53 ist an einer Kante 54 des Spiegels 40 angeordnet. über einen Spannungsvergleich von Lichtsensoren an den vier Rändern des Konzentratorfeides 11 oder durch außen liegende Solarzellen auf dem Konzentratorfeid 11 lassen sich die Summe der Spiegelbilder der einzelnen Spiegelzellen auf dem Konzentratorfeid 11 zentrieren. Für die Feinausrichtung durch das zweite Nachführsystem bedarf es nur sehr kurze Stellwege, da die grobe Nachführung durch den Hauptrahmen 48 erfolgt. Durch die Feinjustierung können elastische Verformungen oder Wärmeausdehnungen des Hauptrahmens ausgeglichen werden.

Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Sonnenenergiewandler 10. Der Sonnenenergiewandler 10 der Figur 8 umfasst vier nebeneinander angeordnete Solarzellenblöcke 12, auf deren Oberseite 13 jeweils zwei Reihen mit jeweils neun Solarzellen 14 angeordnet sind. Die Solarblöcke 12 dienen auch dazu, den Teil der Sonnenenergie, der nicht photovoltaisch genutzt werden kann (Wärme), abzuführen, um so das Konzentratorfeid zu kühlen.

Bei den Solarzellen 14 handelt es sich um Konzentratorzellen, die bei Anliegen einer erhöhten Energiedichte Sonnenenergie effizient in Strom umwandeln können. Figur 9 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Solarzelle 14. Die Solarzelle 14 weist einen Bereich 15 auf, der nicht zur photovoltaische Stromerzeugung genutzt werden kann. In diesem Bereich ist eine Sammelleitung angeordnet, die dazu dient, den durch die Solarzelle 14 produzierten Strom möglichst verlustfrei abzuführen.

Die Solarzellenblöcke 12 bzw. die Solarzellen 14 sind so angeordnet (siehe Figur 8), dass paarweise sich zwei Bereiche 15 gegenüberstehen und somit einen Streifen 16 bilden, der innerhalb des Konzentratorfeids 11 liegt, jedoch nicht zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Dieser Streifen 16 wird durch einen Ablenkspiegel 17 abgedeckt, so dass reflektierte Sonnenstrahlen, die ansonsten auf den Streifen 16 treffen würden, vom Ablenkspiegel 17 auf die wirksamen Bereiche der Solarzellen 14 abgelenkt werden. Die Ablenkspiegel 17 erhöhen somit nicht nur die Effizienz der photovoltaischen Stromerzeugung,

snnrtern reduzieren auch durch die abschirmende Wirkung den Bedarf an Kühl- leistung des Sonnenenergiewandlers 10.

Bezugszeichenliste

1 Solaranlage

2 eingehender Sonnenstrahl

3 reflektierter Sonnenstrahl

10 Sonnenenergiewandler

11 Konzentratorfeid

12 Solarzellenblock

13 Oberfläche

14 Solarzelle

15 Bereich

16 Streifen

17 Ablenkspiegel

30 Sonnenenergiekonzentrator

31 Spiegelzelle 32 Auflagefläche

33 Form / Blech

34 Abdeckscheibe

35 Verbindungswand

36 Randkante 37 obere Kante

38 obere Ecke

39 Teilspiegel

40 Spiegel

41 Mittelachse 42 Mittelachse

43 Ecke

44 Tragvorrichtung/Tragrahmen

45 Träger

46 Querprofil

Stange

Hauptrahmen

Zentralträger

Längsachse

Zentralstütze

Kante

Hydraulikzylinder

Kante