DE2924510A1 - Solar cell concentrator with Fresnel lens - has single or double sided Fresnel lens embedded in plastics or glass - Google Patents
Solar cell concentrator with Fresnel lens - has single or double sided Fresnel lens embedded in plastics or glassInfo
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Abstract
Description
Konzentrator für Solarzellen Concentrator for solar cells
Die Erfindung betrifft einen Konzentrator (Kollektor) für Solarzellen mit einer oberhalb der Solarzelle etwa rechtwinklig zur Haupteinstrahlungsrichtung angeordneten, die Sonnenstrahlung bündelnden Fresnellinse, die zur Bündelung zumindest auf einer Seite stufenförmige Erhebungen aufweist.The invention relates to a concentrator (collector) for solar cells with one above the solar cell approximately at right angles to the main direction of irradiation arranged, the solar radiation focusing Fresnel lens, which for focusing at least has stepped elevations on one side.
Derartige Konzentratoren sind unter anderem aus dem Buch Sonnenenergie, Umschau-Verlag, Frankfurt, 1976, Seite 198, bekannt. Bei diesen bekannten Konzentratoren verschmutzen die Rillen bzw. die stufenförmigen Erhebungen der Fresnellinsen sehr leicht, so daß nach kurzer Zeit die Energieausbeute sich erheblich mindert. Eine besonders schnelle Verschmutzung entsteht dann, wenn die Fresnellinsen aus Kostengründen aus Kunststoff hergestellt sind, da Kunststoff Staub stark anzieht, der aus den Rillen nur noch schwer zu entfernen ist. Ferner können aus Kunststoff hergestellte Fresnellinsen nicht beliebig oft gereinigt werden, da durch die Reinigung die Fresnellinsen leicht zerkratzen und hierdurch nach einiger Zeit die Sonnenstrahlen zerstreuen.Such concentrators are among others from the book Solar Energy, Umschau-Verlag, Frankfurt, 1976, page 198, known. With these known concentrators The grooves or the stepped elevations of the Fresnel lenses are very dirty easy, so that after a short time the energy yield is considerably reduced. One soiling occurs particularly quickly when the Fresnel lenses are used for reasons of cost are made of plastic, as plastic strongly attracts dust from the Grooves are difficult to remove. Furthermore, made of plastic Fresnel lenses are not cleaned as often as required, because through the Cleaning slightly scratch the Fresnel lenses and after a while the Scatter sun rays.
Ein weiteres Problem besteht bei den bekannten Konzentratoren mit Fresnellinsen darin, daß der Abstand zwischen der Fresnellinse und der Solarzelle groß ist, so daß diese zu groß bauenden, viel Platz erfordernden Konstruktionen führen.Another problem exists with the known concentrators Fresnel lenses in that the distance between the Fresnel lens and the solar cell is large, so that these too large, space-consuming constructions to lead.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Konzentrator der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß ein Verschmutzen der Fresnellinse nicht auftritt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, einen Konzentrator der eingangs genannten Art mit geringer Höhe zu schaffen.The object of the invention is to provide a concentrator of the type mentioned at the beginning Kind to improve so that a soiling of the Fresnel lens does not occur. In addition, it is an object of the invention to provide a concentrator of the type mentioned at the beginning Create type with low height.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fresnellinse zumindest mit der Seite, die die stufenförmigen Erhebungen hat, in einer Schicht strahlendurchlässigen Kunststoffs oder Glases mit unterschiedlichem Brechungsindex gegenüber dem Material der Fresnellinse eingebettet ist.These objects are achieved according to the invention in that the Fresnel lens at least with the side that has the step-shaped elevations in one layer Radiolucent plastic or glass with different refractive indices is embedded opposite the material of the Fresnel lens.
Durch das Einbetten oder Eingießen einer Fresnelllinse in Kunststoff oder Glas werden die stufenförmigen Erhebungen bzw. Rillen der Fresnellinse ausgefüllt und eine glatte Oberfläche erreicht, die erheblich weniger verschmutzt. Ferner erreicht die die Fresnellinse umgebende Schicht an der zur Solarzelle hin gerichteten Unterseite eine zusätzliche Brechung der Lichtstrahlen, wenn an diese Seite eine Schicht geringerer optischer Dichte, wie z.B. Luft oder ein Kunststoff mit niedrigerem Brechungsindex, angrenzt.By embedding or potting a Fresnel lens in plastic or glass, the stepped elevations or grooves of the Fresnel lens are filled and achieves a smooth surface that is significantly less polluted. Also achieved the layer surrounding the Fresnel lens on the underside facing the solar cell an additional refraction of the light rays if a layer on this side lesser optical density, such as air or a plastic with a lower refractive index, adjoins.
Damit wird eine weitere Sammlung der Strahlung erreicht.This achieves a further collection of the radiation.
In einer Ausgestaltung schlägt die Erfindung vor, daß die Fresnelli#nse rundum in Kunststoff oder Glas eingebettet ist, so daß Gase oder Feuchtigkeit in die Grenzschicht zwischen Linse und Einbettung nicht eindringen kann. Vorzugsweise ist die Fresnellinse eine Sammellinse, deren Material einen größeren Brechungsindex (größere optische Dichte) aufweist als das Material, in dem die Fresnellinse eingebettet ist.In one embodiment, the invention proposes that the Fresnel lens is embedded all around in plastic or glass, so that gases or moisture in the boundary layer between lens and embedding cannot penetrate. Preferably the Fresnel lens is a converging lens, the material of which has a higher refractive index (greater optical density) than the material in which the Fresnel lens is embedded is.
-Eine Verstärkung der Sammelwirkung wird dadurch erreicht, wenn die Fresnellinse zu beiden Seiten stufenförmige Erhebungen aufweist und/oder wenn mindestens eine weitere Fresnellinse unterhalb der ersten angeordnet ist. Dabei können alle Fresnellinsen in demselben Kunststoff- oder Glasmaterial eingegossen sein, wodurch eine Konstruktionsvereinfachung entsteht.-A strengthening of the collecting effect is achieved when the Fresnel lens has step-shaped elevations on both sides and / or if at least another Fresnel lens is arranged below the first. Everyone can do this Fresnel lenses cast in the same plastic or glass material, whereby a construction simplification arises.
Eine besonders intensive und konstruktiv sehr einfache Bündelung der Strahlen wird dann erreicht, wenn zwischen der Kunststoff- oder Glasschicht, in der die Fresnellinse(n) eingebettet ist (sind) und der Solarzelle etwa parallel zu der oder den Fresnellinsen mindestens eine strahlendurchlässige Schicht aus Kunststoff oder Glas angeordnet ist, deren Material einen kleineren Brechungsindex (geringere optische Dichte) aufweist, als der die Linse(n) aufnehmende Schicht.A particularly intensive and structurally very simple bundling of the Radiation is achieved when between the plastic or glass layer, in which the Fresnel lens (s) is (are) embedded and the solar cell approximately parallel for the Fresnel lens or lenses, at least one layer made of plastic that is transparent to radiation or glass, the material of which has a lower refractive index (lower optical density) than the layer receiving the lens (s).
Dabei können zwischen der die Fresnellinse(n) aufnehmenden Schicht und der Solarzelle zwei oder mehr strahlendurchlässige Schichten aus Kunststoff oder Glas angeordnet sein, deren Brechungsindizes (deren optische Dichte) zur Solarzelle hin abnehmen.In this case, between the layer receiving the Fresnel lens (s) and the solar cell has two or more radiolucent layers of plastic or glass, whose refractive indices (whose optical density) correspond to the solar cell decrease towards.
Ein Sammeln der Streustrahlung als auch der bei sehr schrägem Sonnenstand einfallenden Strahlen wird dadurch erreicht, daß die zwischen Fresnellinse und Solarzelle befindliche Schicht(en) an den Stirnseiten abgeschrägt sind und zur Solarzelle hin verjüngend zulaufen. Dabei können die Stirnseiten mit einer optisch niedrig brechenden Schicht versehen oder verspiegelt sein.A collection of the scattered radiation as well as the very inclined position of the sun Incident rays are achieved by placing between the Fresnel lens and the solar cell The layer (s) located on the front sides are beveled and towards the solar cell to taper off. The end faces can be coated with an optically low refractive index Layer or be mirrored.
Die Solarzelle kann auch zu ihrem Schutz in eine Kunststoff- oder Glasschicht eingegossen sein. Auf der Oberseite der Solarzelle kann eine prismenförmige Struktur und/oder eine Dendritenstruktur zum Einfangen schräger Strahlen angeordnet sein. Hierdurch wird eine weitere Erhöhung der Energieausbeute erreicht.The solar cell can also be made of plastic or plastic to protect it Glass layer be poured. On top of the solar cell can be a prism-shaped Structure and / or a dendrite structure arranged for capturing oblique rays be. This results in a further increase in the energy yield.
Die Solarzelle sollte oberhalb des Brennpunktes des Konzentrators angeordnet sein, so daß die Solarzelle nicht punktförmig sondern flächenförmig bestrahlt wird. Dabei kann die Fläche der Solarzelle kleiner sein als die Fläche intensiver Sonneneinstrahlung in Höhe der Solarzelle, wodurch auch bei der Sonne nicht nachgeführtem Konzentrator die Solarzelle über einen Großteil des Tages bestrahlt wird.The solar cell should be above the focus of the concentrator be arranged so that the solar cell is irradiated not point-like but planar will. The area of the solar cell can be smaller than the area more intense Solar radiation at the level of the solar cell, which means that the sun is not tracked Concentrator the solar cell is irradiated for a large part of the day.
Ein gefälligeres äußeres Aussehen als auch geringere Reflexionen kann dadurch erreicht werden, daß mindestens eine der Kunststoff- oder Glas schichten mit einer Reflexe verringernden Beschichtung versehen ist. Hierzu können die Kunststoff- oder Glaschichten auch vollständig eingefärbt sein.A more pleasing external appearance as well as lesser ones reflections can be achieved in that at least one of the plastic or glass layers is provided with a reflective coating. For this purpose, the plastic or glass layers can also be completely colored.
Eine hohe Lebensdauer und optisch hohe Qualitäten sind dann erreichbar, wenn der Kunststoff der einzelnen Schichten von Acrylglas gebildet wird.A long service life and optically high quality can then be achieved when the plastic of the individual layers is made of acrylic glass.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Konzentrator in einer ersten Ausführungsart; Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine zweite Ausführungsart; und Fig. 3 ee perspektivische Ansicht eines Konzentrators mit Fresnell-Zylinderlinse.Two embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. They show: FIG. 1 a vertical section by a concentrator in a first embodiment; Fig. 2 shows a vertical Section through a second embodiment; and FIG. 3 ee perspective view of a concentrator with a Fresnel cylinder lens.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Fresnellinse 1 in eine erste Schicht 2 aus Acrylglas rundum eingegossen, wobei die Oberseite dieser Schicht vollständig glatt ist, Die Fresnelllinse 1 kann entweder rund sein, so daß die stufenförmigen Erhebungen 3 und die dazwischen liegenden Rillen t rund und konzentrisch angeordnet sind, oder aber die Fresnellinse wirkt wie eine Zylinderlinse und ist langgestreckt, wobei Erhebungen 3 und Rillen 4 in Längsrichtung der Linse parallel und gerade angeordnet sind.In the first embodiment shown in Fig. 1 is a Fresnel lens 1 cast all around in a first layer 2 made of acrylic glass, with the top this layer is completely smooth, the Fresnel lens 1 can either be round, so that the step-shaped elevations 3 and the grooves t therebetween are round and are arranged concentrically, or the Fresnel lens acts like a cylinder lens and is elongated, with elevations 3 and grooves 4 lengthways the lens are arranged parallel and straight.
Das Kunststoffmaterial der ersten Schicht 2 weist einen geringeren Brechungsindex auf, als das der Fresnellinse 1, so daß die Lichtstrahlen von der als Sammellinse ausgebildeten Fresnellinse gebrochen werden und unterhalb der Linse nach innen gerichtet sind.The plastic material of the first layer 2 has a smaller one Refractive index than that of the Fresnel lens 1, so that the light rays from the Fresnel lens designed as a converging lens are broken and below the lens are directed inwards.
An die Unterseite der ersten Schicht 2 ist eine zweite Schicht 5 aus Acrylglas angegossen, an die wiederum eine dritte Schicht 6 und eine vierte Schicht 7 angegossen sind. Die Brechungsindizes bzw. die optischen Dichten dieser Schichten nehmen nach unten hin ab, so daß die durch die Fresnellinse 1 gebrochenen Strahlen von den Grenzschichten weiter verstärkt nach innen hin gebrochen werden.A second layer 5 is made on the underside of the first layer 2 Acrylic glass is poured onto which, in turn, a third layer 6 and a fourth layer 7 are cast on. The refractive indices or the optical densities of these layers decrease downward so that the rays refracted by the Fresnel lens 1 are broken further towards the inside by the boundary layers.
In der untersten Acrylglasschicht 7 ist eine Hochleistungssolarzelle 8 eingegossen, die an ihrer Oberseite eine Dendritenstruktur 9 aufweist, um auch sehr schräg einfallende Strahlen aufzufangen.In the lowermost acrylic glass layer 7 is a high-performance solar cell 8 poured in, which has a dendrite structure 9 on its upper side to also to collect very obliquely incident rays.
Fresnellinse, Solarzelle und Kunststoff schichten sind zueinander parallel und rechtwinklig zur Haupteinstrahlungsrichtung 10 der Sonne. Die Schichten 2, 3 und 4 bilden seitlich Schrägen 11, die mit einem Reflexionsbelag beschichtet oder verspiegelt sein können. Ferner kann die Oberseite der ersten Schicht mit einer Reflexionen mindernden Schicht 11 versehen sein. Ein Einfärben einer oder aller Kunststoffschichten führt zu einer erheblichen äußerlichen Veränderung desKonzentrators. So kann bei einer leichten rötlichen oder bräunlichen Einfärbung die Farbe von Dachziegeln erreicht werden. Dabei kann dem gesamten Konzentrator einschließlich der Solarzelle die Form eines Dachziegels gegeben werden, so daß übliche Dachziegel gegen diese ausgetauscht werden können.Fresnel lens, solar cell and plastic layers are to one another parallel and at right angles to the main direction of irradiation 10 of the sun. The layers 2, 3 and 4 laterally form slopes 11 which are coated with a reflective coating or can be mirrored. Furthermore, the top of the first layer with a Reflection-reducing layer 11 may be provided. A coloring one or all Plastic layers lead to a considerable external change in the concentrator. So can be a slight reddish or brownish color Coloring the color of roof tiles can be achieved. In doing so, the entire concentrator including the solar cell are given the shape of a roof tile so that Usual roof tiles can be exchanged for these.
Das in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten im wesentlichen dadurch, daß die Fresnellinse 1a von einer Doppelsammellinse gebildet wird, und daß zwischen den die Hochleistungssolarzelle 8 und die Fresnellinse aufnehmenden Schichten drei Schichten 5, 6 und 6a angeordnet sind.The second embodiment shown in Fig. 2 differs of the first essentially in that the Fresnel lens 1a is of a double converging lens is formed, and that between the high-performance solar cell 8 and the Fresnel lens receiving layers three layers 5, 6 and 6a are arranged.
Unterhalb der seitlichen Stirnseiten der Schichten 2, 3, 3a und 4 sind in den im Querschnitt dreieckförmigen Längsräünen Aluminiumrohre 12 zur Kühlung angeordnet, wobei diese Räume hohl sein können oder von Kunststoff ausgefüllt sind. In dem Fall, in dem sie hohl sind, können sie auch insgesamt von Wasser zur Kühlung durchflossen werden. Das durch die Rohre 12 oder durch diese Räume fließende Kühlmittel (z.B. Wasser) kann zu Wärmezwecken genutzt werden.Below the lateral end faces of layers 2, 3, 3a and 4 are in the triangular in cross-section longitudinal rails aluminum tubes 12 for cooling arranged, these spaces can be hollow or filled with plastic. In the case in which they are hollow, they can also be entirely of water for cooling are flowed through. The coolant flowing through the tubes 12 or through these spaces (e.g. water) can be used for heating purposes.
Die Fresnellinse kann auch konvex oder konkav gewölbt sein (in der Zeichnung nicht dargestellt), um auch sehr schräg einfallende Sonnenstrahlen einfangen zu können und eine Totalreflexion dieser Strahlen zu vermeiden. Damit bildet die Fresnellinse einen Teil einer Zylinderwandung bzw. Zylinderfläche.The Fresnel lens can also be convex or concave (in the Drawing not shown), in order to catch very oblique rays of the sun to be able to and avoid a total reflection of these rays. This forms the Fresnel lens part of a cylinder wall or cylinder surface.
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