Mehrfachbelichter / Sonnenkonzentrator Projekt: Mehrfachbelichter / Sonnenkonzentrator

Ziel ist es durch einfache Spiegelsysteme (Reflektoren) eine Mehrfachbelichtung/ Sonnenkonzentration zu realisieren und somit die Solarerträge zu vergrößern. In erster Linie ist es angedacht die Erträge von derzeit noch sehr teuren Photovoltaikmodulen durch lichttechnische Mehrfachnutzung zu vergrößern. Aber auch bei Solarthermie (Warmwasser-Solarmodule) könnte dies eine möglich Anwendung sein.

Tests mit Photovoltaikmodulen mit seitlich angebrachten Reflektoren (Erhöhung der „Erntefläche“) haben folgende Ergebnisse erbracht: Doppelte Erntefläche:  1,5 bis 1,8-fache Leistung (die höheren Werte werden mit Zusatzkühlung erreicht) Dreifache Erntefläche:  1,8 bis 2,2-fache Leistung (die höheren Werte werden mit Zusatzkühlung erreicht)

Ein großer Hinderungsgrund bei Standard- Photovoltaikmodulen ist, dass sich bei Mehrfachbelichtung der erhöhte Strom nachteilig auf die dafür zu dünn dimensionierten Leiterbahnen auswirkt. Hier wäre es wichtig die Solarzellen mit zusätzlichen bzw. dickeren Leiterbahnen auszustatten, bei denen ein Teil der Leistungssteigerung nicht wieder in den hohen Leiterbahnwiderständen verloren geht. Dies ist momentan ein starker Hinderungsgrund für die Mehrfachbelichtung – an dessen Beseitigung Modulhersteller logischerweise nicht viel Interesse zeigen.

Prinzipskizze: Zusatzbeaufschlagung durch Reflektoren Hauptbeaufschlagung Reflektoren Solarmodul

Bildbeispiel:

Bei geraden, links und rechts vom Photovoltaik-modul angeordneten Reflektoren ist man mit der maximal realisierbaren Erhöhung der Erntefläche eingeschränkt. Über links und rechts neben der Zelle angeordnete sphärische Spiegelbahnen, die über einen vor der Zelle liegenden schmalen Vorspiegel die Zelle beaufschlagen (abgewandelte Cassegrain Spiegel-teleskopoptik) könnten auch größere Flächen realisiert werden. Dann braucht man aber zwingend eine exakte Nachführung. Durch die hohe Sonnen-konzentration werden hier die hohen Temperaturen zum Problem, und daher die Kühlung sehr aufwendig.

Als Faustformel kann man sagen, dass eine Temperaturerhöhung um 20°C die Leistung um ca. 10% verringert. Hier könnte man durch Kühlung der Photovoltaikmodule noch zusätzlich eine Leistungssteigerung (bis ca. 20%) erzielen und die abgeführte Wärme zur Warmwasseraufbereitung/ Heizungsunterstützung nutzen (wassergekühlte Module sind am Markt bereits erhältlich). Mein Ansatz wäre daher eine möglichst einfache/ kostengünstige links und rechts des Moduls angeordnete Spiegeltechnik zur Leistungs-steigerung, eventuell in Kombination mit einer Kühlung zur Warmwasseraufbereitung/ Heizungsunterstützung für private Haushalte.

Bei parallel zur Sonnenbahn montierten Systemen könnte man auch ohne mechanische Nachführung gute Ergebnisse erzielen. Man bräuchte nur hin und wieder den Winkel zur Horizontalen angleichen, also an die jahreszeitlich bedingte Sonnenhöhe anpassen. SOMMER

Bei parallel zur Sonnenbahn montierten Systemen könnte man auch ohne mechanische Nachführung gute Ergebnisse erzielen. Man bräuchte nur hin und wieder den Winkel zur Horizontalen angleichen, also an die jahreszeitlich bedingte Sonnenhöhe anpassen. FRÜHJAHR/HERBST

Bei parallel zur Sonnenbahn montierten Systemen könnte man auch ohne mechanische Nachführung gute Ergebnisse erzielen. Man bräuchte nur hin und wieder den Winkel zur Horizontalen angleichen, also an die jahreszeitlich bedingte Sonnenhöhe anpassen. WINTER

Da 75% des Jahresertrages bei Photovoltaikmodulen zwischen April und September erzielt werden, könnte man eventuell auch komplett feststehend bleiben und die Reflektorengeometrie auf den optimalen mittleren Winkel hierfür auslegen. Eine einfache einachsige Nachführung des Systems an den Sonnenhöhenwinkel sollte „wirtschaftlich“ jedoch auch realisierbar sein. Wenn die Nachführung nur durch Bewegung der seitlichen Reflektoren (und nicht durch Neigung des ganzen Moduls inklusive der Reflektoren) erfolgt, wäre die Technik auch bei Warmwasser-Solarmodulen gut einsetzbar. Die Anlagenleistung im Winter (wo der größte Bedarf besteht) könnte so erhöht werden. Die im Sommer zu viel vorhandene Leistung könnte durch „gezielte“ Verschattung (auf das Modul geklappter Reflektor) geregelt werden. Also entweder kleinere Dimensionierung der Anlage, oder mehr Leistung im Winter.

Bewegliche Reflektoren Feststehendes Solarmodul Prinzipskizze Reflektornachführung: Zusatzbeaufschlagung durch Reflektoren Hauptbeaufschlagung Bewegliche Reflektoren Feststehendes Solarmodul

Bewegliche Reflektoren Feststehendes Solarmodul Prinzipskizze Reflektornachführung: Bewegliche Reflektoren Feststehendes Solarmodul

Feststehendes Solarmodul Bewegliche Reflektoren Prinzipskizze Reflektornachführung: Feststehendes Solarmodul Bewegliche Reflektoren

Feststehendes Solarmodul Bewegliche Reflektoren Prinzipskizze Reflektornachführung: Abschattposition bei Warmwassermodulen (wenn maximale Boilertemperatur erreicht) Feststehendes Solarmodul Bewegliche Reflektoren

Bei Photovoltaikmodulen könnte die Nachführung sogar ohne aufwendige Elektronik erfolgen. Wenn man zwei kleine Solarzellen im Winkel von 90° mit den aktiven Flächen nach außen anordnet, heben sich bei richtiger Verschaltung die erzeugten Spannungen bei Ausrichtung des „Pfeils“ auf die Sonne auf. Sobald die Ausrichtung abweicht, gibt es eine resultierende Spannung in eine Richtung und man könnte mit angeschlossenen Elektromotoren die Ausrichtung auf die „hellste“ Stelle wieder automatisch herstellen. Dies wäre eine kostengünstige Nachführungssteuerung. Als Reflektormaterial kämen Glasspiegel, Aluminiumreflektoren, poliertes Edelstahl, Kunststoffspritzgussteile mit Alubeschichtung usw. in Frage.

Eine Umsetzung mit Partnern aus der Region wäre gut realisierbar: Das nötige Know-How auf lichttechnischer Seite bringe ich aus meiner 13-jährigen Entwicklungs-, Lichtplanungserfahrung im Bartenbach LichtLabor/ Aldrans ein, bzw. habe ich auch noch gute Kontakte zu Entwicklern aus dieser Zeit. Solon Hilber Technologie/Steinach am Brenner könnte Module mit dicker dimensionierten Leiterbahnen herstellen. Die technische Umsetzung/Herstellung der Mechanik könnte durch das Gerätewerk Matrei/Navis als erfahrener Partner im Metallbau erfolgen.

Hauptberuflich bin ich Leiter des Qualitäts-managements im Gerätewerk Matrei und betreibe daher meine Forschungen nur nebenberuflich. Mit einem entsprechenden Startkapital wäre eventuell ein Joint Venture mit den Firmen aus der Region möglich. Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit EUR ING. Ing. Martin Leiminger