DE102009032575A1 - Optical arrangement for deflecting and concentrating sunlight on solar cell in solar power plant, has plate aligned to light source so that light is transmitted to Fresnel-structure and enters through boundary surface to medium i.e. air - Google Patents

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Hans-Jürgen DOBSCHAL
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Abstract

The arrangement has a plate aligned to a light source so that light emitted from the light source enters through a boundary surface (G) into the plate and is reflected from a Fresnel-structure to the boundary surface within the plate. The light is transmitted to a narrow surface within the plate. The plate is aligned to the source so that the light enters through the narrow surface and is transmitted to the Fresnel-structure within the plate by total reflection. The light enters through the boundary surface into an ambient medium i.e. air. The plate is made of glass or plastic.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zum Beeinflussen der Ausbreitungsrichtung von Licht. Sie ist in einer ersten Ausführungsform insbesondere dazu geeignet, aus unterschiedlichen, sich zeitlich verändernden Richtungen eingestrahltes Licht zu bündeln und konzentriert auf die Empfangsfläche einer Photozelle umzulenken. In einer zweiten, hierzu alternativen Ausführungsform ist die Erfindung bevorzugt zur Streuung oder Homogenisierung des von einer flächigen Lichtquelle abgestrahlten Lichtes anwendbar.The The invention relates to an optical arrangement for influencing the propagation direction of light. It is in a first embodiment particularly suitable, from different, temporally to bundle incoming light in changing directions and focused on the receiving surface of a photocell redirect. In a second, this alternative embodiment the invention is preferred for scattering or homogenizing the applicable to a surface light source emitted light.

Die erste Ausführungsform ist beispielsweise im Zusammenhang mit Photovoltaiksystemen von Interesse, bei denen das im Tagesverlauf aus unterschiedlichen Richtungen einstrahlende Sonnenlicht konzentriert auf Solarzellen gerichtet wird, um die Energieeffizienz der Solarzellen zu erhöhen.The first embodiment is for example in connection with photovoltaic systems of interest, where during the day focused sunlight from different directions concentrated On solar cells is directed to the energy efficiency of solar cells to increase.

Die Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht mit Hilfe von Photovoltaiksystemen ist nach heutigem Stand der Technik mit weniger umweltschonenden Systemen zur Energiegewinnung aus Aufwands- und Kostengründen nicht wettbewerbsfähig, da das Silizium als Ausgangsmaterial bei der Herstellung der Solarzellen verhältnismäßig teuer ist. Deshalb besteht unter anderem ein Ziel der Forschung und Entwicklung auf diesem technischen Gebiet darin, Methoden zu finden, die den Ertrag derzeit üblicher Solarzellen erhöhen.The Generation of electrical energy from sunlight with the help of Photovoltaic systems is in the current state of the art with less Environmentally friendly systems for generating energy from Expenditure and Cost reasons not competitive because the silicon as a starting material in the production of solar cells relatively is expensive. Therefore, among other things, there is an objective of research and development in this technical field in methods to find that increase the yield of currently common solar cells.

Diesbezüglich sind bereits Anordnungen entwickelt worden, die das Sonnenlicht konzentriert auf Solarzellen richten.In this regard, Arrangements have already been developed that use the sunlight focus on solar cells.

Die Konzentration erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Spiegeln oder Linsen, die den Solarzellen in Einstrahlrichtung vorgeordnet sind und das Sonnenlicht bis zu 1000fach verstärkt auf die Solarzellen richten.The Concentration takes place for example with the aid of mirrors or Lenses that are upstream of the solar cells in the direction of irradiation and direct sunlight up to 1000 times more intensely onto the solar cells.

Bei derart hochkonzentrierenden Anordnungen wird jedoch vorwiegend nur dasjenige Sonnenlicht in Strom umgewandelt, das in Richtung der Normalen der Empfangsfläche der Solarzelle, also nur im Einfallslot, auf die Solarzelle trifft. Da sich die Einfallsrichtung aber mit dem Sonnenstand ändert, muß die Solarzelle der Sonne so nachgeführt werden, daß die Richtung der Normalen auch mit sich änderndem Sonnenstand stets oder möglichst lange der Richtung zur Sonne entspricht, da sonst der Effekt nicht wirksam wird, der mit der Konzentration beabsichtigt ist.at However, such highly concentrated arrangements becomes predominantly only that sunlight is converted into electricity in the direction of Normals of the receiving surface of the solar cell, ie only in the incidence solder, meets the solar cell. Since the direction of incidence but with changes the position of the sun, the solar cell of the Sun tracked so that the direction the normal also always with changing sun position or as long as the direction corresponds to the sun, otherwise the effect will not take effect, with the concentration is intended.

Im Stand der Technik sind Nachführeinrichtungen bekannt, die allerdings so material- und kostenaufwendig sind, daß die Energiebilanz den Aufwand für die Nachführung nicht rechtfertigt.in the State of the art tracking devices are known which However, so material and cost are that the Energy balance the effort for tracking not justified.

Eine bevorzugte Entwicklungsrichtung besteht deshalb darin, Photovoltaiksysteme zu schaffen, bei denen das Sonnenlicht trotz stetiger Veränderung des Sonnenstandes auch ohne eine aufwendige Nachführeinrichtung fortgesetzt konzentriert und in Richtung des Einfallslotes auf die Solarzelle gerichtet ist.A Therefore, preferred development direction is photovoltaic systems to create sunlight in spite of constant change the sun even without a complicated tracking device continued concentrated and in the direction of the idea solder on the Solar cell is addressed.

Dies wird beispielsweise mit so genannten optischen Nachführeinrichtungen erreicht. Eine solche Nachführeinrichtung ist in US 20030015233 A1 beschrieben. Sie umfaßt eine Kollektorlinse, eine Solarzelle und ein Linsenarray. Das Linsenarray ist zwischen der Kollektorlinse und der Solarzelle angeordnet und hat die Aufgabe, die von der Kollektorlinse gesammelte und teils fokussierte Strahlung konzentriert im Einfallslot auf die Solarzelle zu richten.This is achieved for example with so-called optical tracking devices. Such a tracking device is in US 20030015233 A1 described. It comprises a collector lens, a solar cell and a lens array. The lens array is disposed between the collector lens and the solar cell and has the task to focus the collected and partially focused by the collector lens radiation concentrated in the incident solder on the solar cell.

In US 5,877,874 ist ebenfalls eine Einrichtung zur Konzentration von Solarstrahlung auf eine Solarzelle beschrieben. Die Sammlung und Konzentration des Sonnenlichtes erfolgt hier mit Hilfe eines holographischen Planarkonzentrators, bestehend aus einer planparallelen, hochtransparenten Platte und mindestens einem holographisch-optischen Film, der auf eine Oberfläche der Platte aufgebracht ist. Der holographisch-optische Film weist eine Vielzahl von diffraktiv wirkenden optischen Strukturen auf, die den Einfall des Sonnenlichtes so beeinflussen, daß dieses unter einem Winkel, der möglichst wenig vom Einfallslot abweicht, auf eine oder mehrere Solarzellen trifft.In US 5,877,874 is also described a device for concentrating solar radiation on a solar cell. The collection and concentration of sunlight is carried out here by means of a holographic Planarkonzentrators, consisting of a plane-parallel, highly transparent plate and at least one holographic-optical film which is applied to a surface of the plate. The holographic-optical film has a multiplicity of diffractive optical structures which influence the incidence of the sunlight so that it strikes one or more solar cells at an angle which deviates as little as possible from the incidence solder.

Diese Konzentrator-Photovoltaiksysteme sind immer noch zu aufwendig und zu teuer, so daß es damit nicht gelingt, die Effizienz wesentlich zu erhöhen. Insbesondere Einrichtungen, bei denen Hologramme zur Richtungsänderung der Solarstrahlung verwendet werden, erreichen nicht die Effizienz herkömmlicher, mit Spiegeln oder Linsen arbeitender Konzentratoren. Hologramme verstärken das auf die Solarzellen treffende Licht lediglich um einen Faktor 10, während mit klassischen Systemen Faktoren zwischen 100 und 1000 erreicht werden. Hinzu kommt, daß die Kosten für holographische Systeme ebenfalls verhältnismäßig hoch sind.These Concentrator photovoltaic systems are still too expensive and too expensive, so it does not succeed, the efficiency significantly increase. In particular, facilities which holograms used to change the direction of solar radiation will not reach the efficiency of conventional, with Mirrors or lenses working concentrators. Reinforce holograms the light striking the solar cells only by a factor of 10, while with classic systems factors between 100 and 1000 can be achieved. On top of that, the cost of holographic systems also relatively are high.

Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist insbesondere zur Streuung von Licht bzw. zur Homogenisierung der Intensität des von einer flächigen Lichtquelle abgestrahlten Lichtes nutzbar. Mit dieser Ausführungsform wird eine gleichmäßige Leuchtdichte bei einer Licht abstrahlenden Fläche erzielt, wie dies zum Beispiel im Zusammenhang mit Projektionseinrichtungen wünschenswert ist.The second embodiment of the invention optical arrangement is particularly for the scattering of light or to homogenize the intensity of a plane Light source radiated light usable. With this embodiment becomes a uniform luminance in a light achieved radiating surface, as for example in Connection with projection devices desirable is.

Die bekannten, über verhältnismäßig gute Homogenisierungseigenschaften verfügenden LCD-LED-Panels, Lichttunnel oder sonstigen Licht streuenden optischen Einrichtungen genügen höheren Ansprüchen nicht.The known LCD-LED panels, light tunnels or other light having relatively good homogenization properties scattering optical devices do not meet higher demands.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung zum Beeinflussen der Ausbreitungsrichtung von Licht zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend überwindet.From that Based on the invention, the object is an optical Arrangement for influencing the propagation direction of light to create which overcomes the disadvantages of the prior art as far as possible.

Erfindungsgemäß umfaßt eine optische Anordnung der vorgenannten Art

  • – mindestens eine durch zwei sich parallel gegenüber liegende Großflächen und umlaufende Schmalflächen begrenzte Platte aus einem transparenten Material, das im Vergleich zu einem umgebenden Medium optisch dichter ist, wobei
  • – eine der beiden Großflächen als Grenzfläche für den Übergang des Lichtes aus dem umgebenden Medium in die Platte oder umgekehrt aus der Platte in das umgebende Medium vorgesehen ist,
  • – die zweite Großfläche mit einer nach innen reflektierenden Fresnel-Struktur versehen ist, und
  • – die Platte zu einer Lichtquelle so ausgerichtet ist, daß das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht durch die Grenzfläche hindurch in die Platte eintritt, innerhalb der Platte von der Fresnel-Struktur so zur Grenzfläche zurück reflektiert wird, daß es innerhalb der Platte durch Totalreflexion bis zu mindestens einer der Schmalflächen fortgeleitet wird und dort austritt, oder die Platte zu einer Lichtquelle so ausgerichtet ist, daß das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht durch mindestens eine der Schmalflächen in die Platte eintritt, innerhalb der Platte durch Totalreflexion zu der Fresnel-Struktur geleitet wird, von dieser zu der Grenzfläche hin reflektiert wird und infolge dessen durch die Grenzfläche in das umgebende Medium austritt.
According to the invention comprises an optical arrangement of the aforementioned type
  • - At least one limited by two parallel large surfaces and circumferential narrow surfaces plate of a transparent material, which is visually denser compared to a surrounding medium, wherein
  • One of the two large surfaces is provided as an interface for the passage of the light from the surrounding medium into the plate or vice versa out of the plate into the surrounding medium,
  • - The second large area is provided with an inwardly reflective Fresnel structure, and
  • - The plate is aligned with a light source so that the light emitted by the light source through the interface penetrates through the plate is reflected within the plate of the Fresnel structure back to the interface that within the plate by total reflection up to at least one of the narrow surfaces is passed and exits there, or the plate is aligned with a light source so that the light emitted by the light source passes through at least one of the narrow surfaces in the plate, is passed inside the plate by total reflection to the Fresnel structure, is reflected from this to the interface and as a result exits through the interface into the surrounding medium.

In einer ersten Ausführungsform dieser Anordnung ist an mindestens einer der Schmalseiten eine Photozelle vorgesehen, und die Grenzfläche ist der Lichtquelle so zugewandt, daß die Lichteinfallsrichtung mit der Normalen der Grenzfläche Winkel in einem Bereich ±φ1 einschließt. Bei jedem der Winkel φ1 in diesem Bereich ±φ1 wird das Licht beim Eintritt in die Platte zum Einfallslot hin gebrochen, es tritt unter einem von φ1 abhängigen Winkel φ2 in die Platte ein. Die Fresnel-Struktur reflektiert das Licht unter einem Winkel φ3 so zur Grenzfläche zurück, daß es an der Grenzfläche total reflektiert und innerhalb der Platte durch Totalreflexion zu der Schmalseite hin fortgeleitet wird, an der die Photozelle angeordnet ist.In a first embodiment of this arrangement is at least one of the narrow sides provided a photocell, and the interface is the light source facing so that the light incident direction with the normal of the interface angle in a range ± φ1 includes. At each of the angles φ1 in this Range ± φ1 will be the light entering the Broken plate to the incidence slot, it comes under one of φ1 dependent angle φ2 in the plate. The Fresnel structure reflects the light at an angle φ3 to the interface back that it's totally at the interface reflected and inside the plate by total reflection to the Narrow side is forwarded, arranged at the photocell is.

Dabei kann die Lichtquelle ihre Position zeitlich ändern, wodurch die Lichteinfallsrichtung mit der Normalen der Grenzfläche einen sich in zeitlicher Folge ändernden Winkel φ1 einschließt, der in dem bereits genannten Bereich ±φ1 liegt. Die Größen der Winkel φ2 und φ3 sind in Abhängigkeit von der Größe des jeweils aktuellen Winkels φ1 verschieden.there For example, the light source can change its position over time the light incidence direction with the normal of the interface an angle φ1 changing in chronological order included in the range already mentioned ± φ1 lies. The sizes of the angles φ2 and φ3 are dependent on the size of the each current angle φ1 different.

Der Winkel φ1 liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von –45 grd bis +45 grd. In Abhängigkeit davon liegt der Winkel φ2 in einem Bereich von –25.9 grd bis 25.9 grd und der Winkel φ3 in einem Bereich von 0.001 grd bis 55.2 grd, wobei φ3 = 0.001 grd einen streifenden Einfall des Lichtes auf die Grenzfläche bedeutet.Of the Angle φ1 is preferably within a range from -45 grd to +45 grd. Depending on it the angle φ2 is in a range of -25.9 grd to 25.9 grd and the angle φ3 in a range of 0.001 grd to 55.2 grd, where φ3 = 0.001 grd a grazing Incidence of light on the interface means.

In einer zweiten Ausführungsform ist an mindestens einer der Schmalseiten eine Lichtquelle angeordnet, und das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht tritt durch diese Schmalseite in die Platte ein. Innerhalb der Platte wird das Licht durch Totalreflexion fortgeleitet, trifft dabei auf die Fresnel-Struktur und wird von dieser unter verschiedenen Richtungen, die mit der Normalen der Grenzfläche Winkel in einem Bereich ±φ2 einschließt, so zur Grenzfläche zurück reflektiert, daß das Licht durch die Grenzfläche hindurch tritt, dabei vom Einfallslot weg gebrochen wird und infolge dessen in verschiedene Richtungen, die mit der Normalen der Grenzfläche Winkel in einem Bereich ±φ1 einschließen, gestreut aus der Platte austritt.In a second embodiment is at least one of Narrow sides arranged a light source, and that of the light source radiated light enters through this narrow side in the plate. Within the plate, the light is propagated by total reflection, meets the Fresnel structure and is subject to this different directions, with the normal of the interface Includes angle in a range ± φ2, so reflected back to the interface that the Light passes through the interface, while the incident solder is broken away and as a result in different directions, with the normal of the interface angle in a range ± φ1 Include scattered from the plate.

Die planparallele Platte besteht beispielsweise aus Glas mit einer Brechzahl im Bereich n = 1.47 bis 1.75, während das umgebende Medium Luft oder ein anderes, im Vergleich zu diesem Glas optisch dünneres Medium mit ebenfalls einer Brechzahl n ≈ 1 ist. An der Stelle von Glas kann selbstverständlich auch ein anderes Material, etwa Kunststoff, verwendet werden, sofern es die beschriebenen optischen Voraussetzungen erfüllt.The plane-parallel plate consists for example of glass with a refractive index in the range n = 1.47 to 1.75, while the surrounding medium Air or another, visually thinner compared to this glass Medium with also a refractive index n ≈ 1. At the Of course, glass can also be another Material, such as plastic, can be used, as far as it is described optical requirements met.

Im Rahmen der Erfindung liegt die Verwendung der ersten Ausführungsform der optischen Anordnung zum Umlenken und Konzentrieren des aus der sich im Tagesverlauf stetig ändernden Richtung einfallenden Sonnenlichtes auf eine Solarzelle. Ebenfalls eingeschlossen in die Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung in Einfallsrichtung des Sonnenlichtes mehrfach hintereinander.in the The invention is based on the use of the first embodiment the optical arrangement for deflecting and concentrating of the Incoming during the course of the day constantly changing direction Sunlight on a solar cell. Also included in the Invention is the use of the invention optical arrangement in the direction of incidence of sunlight several times in succession.

Mit einer solchen Mehrfachanordnung aus übereinander geschichteten und dabei durch Lufträume voneinander getrennten Glasscheiben ist der Aufbau eines kompletten Solarkraftwerkes möglich.With such a multi-layered arrangement of superimposed and thereby separated by air spaces glass panes is the construction of a complete solar power plant possible.

An Stelle der mehrfach übereinander geschichteten Scheiben kann auch eine einzelne dickere Scheibe verwendet werden, die auf der der Grenzfläche gegenüber liegenden Fläche treppenförmig abgestuft und in den einzelnen Stufen mit verspiegelten, reflektierenden Fresnel-Strukturen versehen ist, wie weiter unten näher erläutert wird.At Place the multi-layered discs Also, a single thicker slice can be used on it the surface opposite the interface Stepped stepped and with each step mirrored, reflective Fresnel structures, such as will be explained in more detail below.

Auf diese Weise wird der Ertrag derzeit üblicher Solarzellen so weit erhöht, daß mit einer geringeren Anzahl von Solarzellen mehr elektrische Energie gewonnen wird als bisher im Stand der Technik möglich. Mit den Fresnel-Strukturen wird ein deutlich besserer Wirkungsgrad erzielt als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Hologrammstrukturen.In this way, the yield is currently übli Solar cells so far increased that is obtained with a smaller number of solar cells more electrical energy than previously possible in the prior art. With the Fresnel structures, a significantly better efficiency is achieved than with the hologram structures known from the prior art.

Anstelle einer vergleichsweise großen Anzahl teurer Solarzellen kann beispielsweise ein Hausdach mit preiswerten Glasscheiben bestückt werden, die das Sonnenlicht aufsammeln, aufgrund ihrer Ausrichtung relativ zur Sonne mittels der Fresnel-Struktur umlenken und dann konzentriert auf eine geringere Anzahl Solarzellen richten. Damit ergibt sich eine besonders kostengünstige Lösung.Instead of a comparatively large number of expensive solar cells For example, a house roof can be equipped with inexpensive glass panes, which collect the sunlight, relative to their orientation divert to the sun by means of the Fresnel structure and then concentrated to a smaller number of solar cells. This results a particularly cost-effective solution.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die der Sonne zugewandte Grenzfläche der Platte mit einer Schicht versehen, die IR-Strahlung reflektiert. Damit wird das Eindringen dieser Strahlung in die Platte vermieden und somit eine unerwünscht hohe Erwärmung der Solarzelle verhindert. In weiterführenden Ausgestaltungen kann die abgespaltene IR-Strahlung nutzbringend zur Warmwasserbereitung oder Gebäudeheizung verwendet werden.In an advantageous embodiment is the sun-facing interface the plate provided with a layer that reflects IR radiation. In order to the penetration of this radiation is avoided in the plate and thus an undesirably high heating of the solar cell prevented. In further embodiments, the split off IR radiation useful for hot water or Building heating to be used.

Der auf diese Weise mit der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich zum Stand der Technik erreichte Vorteil wird insofern noch weiter verstärkt, als auch diffuses Sonnenlicht innerhalb des bereits angegebenen Winkelbereiches von etwa –45 grd bis +45 grd aufgesammelt werden kann, was besonders bei Anwendung in nördlicheren Breitengraden Vorteile bietet.Of the in this way with the inventive arrangement In comparison with the prior art achieved advantage is so far even further intensified, as well as diffused sunlight within the already specified angular range of about -45 grd can be collected to +45 grd, which is especially useful offers advantages in more northerly latitudes.

Im Rahmen der Erfindung liegt die Verwendung der zweiten Ausführungsform als flächige Lichtquelle, die bezüglich seiner Intensität homogenisiertes Licht abstrahlt.in the The invention is based on the use of the second embodiment as a surface light source that respects its Intensity radiates homogenized light.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe Invention will be described below with reference to embodiments explained in more detail. In the accompanying drawings demonstrate

1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in der ersten Ausführungsform bei Verwendung zum Umlenkung und Konzentrieren von Sonnenlicht auf eine Solarzelle, hier der Übersichtlichkeit halber mit lediglich einer Glasscheibe und einer Solarzelle, 1 the basic structure of the arrangement according to the invention in the first embodiment when used for deflecting and concentrating sunlight on a solar cell, here for clarity with only a glass pane and a solar cell,

2 ein Beispiel für die in die Glasscheibe nach 1 eingebrachte und sich über einen Bereich B erstreckende Fresnel-Struktur und zugleich ein Beispiel für den Verlauf der Strahlung außerhalb und innerhalb der Glasscheibe, 2 an example of the glass pane after 1 introduced and extending over a region B Fresnel structure and at the same time an example of the course of radiation outside and inside the glass sheet,

3 den prinzipiellen Aufbau nach 1 in einer Mehrfachanordnung von Glasscheiben, die in Einstrahlrichtung des Sonnenlichtes hintereinander angeordnet sind, 3 according to the basic structure 1 in a multiple arrangement of glass panes, which are arranged one behind the other in the direction of irradiation of the sunlight,

4 die Mehrfachanordnung nach 3 bei Ausrichtung der Einstrahlfläche der Glasscheiben bei veränderter Einstrahlrichtung, 4 the multiple arrangement after 3 with alignment of the irradiation surface of the glass panes with changed irradiation direction,

5 die Darstellung analog zu 2, jedoch bei der Einstrahlrichtung gemäß 4, 5 the representation analogous to 2 , but in the beam direction according to 4 .

6 bis 10 die Mehrfachanordnung nach 3 bei verschiedenen, jeweils vom Sonnenstand vorgegebenen Einstrahlrichtungen, 6 to 10 the multiple arrangement after 3 at different irradiation directions given by the position of the sun,

11 eine Mehrfachanordnung von Glasscheiben in Einstrahlrichtung des Sonnenlichtes hintereinander, wobei im Unterschied zu den Darstellungen in 1, 3 und 6 bis 10 Solarzellen an beiden schmalseitigen Austrittsenden der Glasscheiben vorgesehen sind, 11 a multiple arrangement of glass sheets in the direction of the sunlight in succession, wherein, in contrast to the illustrations in 1 . 3 and 6 to 10 Solar cells are provided on both narrow-side outlet ends of the glass panes,

12 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Glasscheibe, die an unterschiedlichen Bereichen in unterschiedlichen Dicken ausgeführt und dort jeweils mit einer Fresnel-Struktur versehen ist, 12 an embodiment of the arrangement according to the invention with a glass pane, which is executed at different areas in different thicknesses and is provided there each with a Fresnel structure,

13 eine Mehrfachanordnung von Glasscheiben, die wie in 12 gezeigt ausgebildet sind, 13 a multiple arrangement of glass panes, as in 12 are shown formed

14 beispielhaft einen zur Darstellung in 2 alternativen Strahlungsverlauf bei Verwendung einer Fresnel-Struktur mit einem Flankenwinkel ε = 21 grd bei gleicher Brechzahl des Glases von n = 1.5178, 14 by way of example for illustration in FIG 2 alternative radiation profile when using a Fresnel structure with a flank angle ε = 21 grd with the same refractive index of the glass of n = 1.5178,

15 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in der zweiten Ausführungsform bei Verwendung zum Umlenken und Streuen oder Homogenisieren des von einer an mindestens einer der Schmalseiten angeordneten Lichtquelle abgestrahlten Lichtes und damit zur Erzielung einer von einer Fläche ausgehenden homogenen Leuchtdichte. 15 the basic structure of the arrangement according to the invention in the second embodiment when used for deflecting and scattering or homogenizing the light emitted from a light source arranged on at least one light source and thus to achieve a homogeneous luminance emanating from a surface.

In 1 ist für die erfindungsgemäße Anordnung beispielhaft eine Scheibe S aus Glas mit der Bezeichnung Bk7 vorgesehen, das bei Licht der Wellenlänge 546 nm eine Brechzahl n = 1.5187 hat. Die Scheibe S weist eine Dicke d = 20 mm auf und ist so zur Einfallsrichtung E von Sonnenlicht L ausgerichtet, daß die Einfallsrichtung E mit der Normalen N der Einstrahlfläche an der Scheibe S, die zugleich die Grenzfläche G zwischen dem Glas und dem umgebenden Medium definiert, einen Winkel φ1 = ±0 grd einschließt. Das umgebende Medium ist in diesem Fall Luft mit der von der jeweiligen atmosphärischen Bedingung abhängigen Brechzahl n ≈ 1.In 1 is provided for the inventive arrangement by way of example a disc S made of glass with the name Bk7, which has a refractive index n = 1.5187 at light of wavelength 546 nm. The disc S has a thickness d = 20 mm and is aligned to the direction of incidence E of sunlight L, that the direction of incidence E with the normal N of the Einstrahlfläche on the disc S, which also defines the interface G between the glass and the surrounding medium , an angle φ1 = ± 0 grd. The surrounding medium in this case is air with the refractive index n ≈ 1, which depends on the respective atmospheric condition.

Vorzugsweise entspricht diese Situation und die Ausrichtung der Scheibe S dem Stand der Sonne im Zenit. Das Sonnenlicht L tritt hierbei durch die Grenzfläche G hindurch unter gleich bleibender Richtung und damit gleichem Winkel φ2 = ±0 grd in die Scheibe S ein.Preferably, this situation and the orientation of the disc S corresponds to the state of the sun in the zenith. The sunlight L passes through the boundary surface G in the same direction and thus the same angle φ2 = ± 0 grd in the disc S a.

Die der Grenzfläche G parallel gegenüber liegende Fläche der Scheibe S ist mit einer sich über einen Bereich B erstreckenden Fresnel-Struktur versehen. Die Fresnel-Struktur reflektiert das in die Scheibe S eindringende Sonnenlicht L zur Grenzfläche G zurück, wobei die Reflexionsrichtung mit der Grenzfläche G einen Winkel φ3 = 25 grd einschließt. Der Winkel bzw. die Reflexionsrichtung ist mit dem Flankenwinkel ε der Fresnel-Struktur festgelegt, der in dem hier gewählten Beispiel 32,5 grd betragen soll.The the boundary G parallel opposite Area of the disc S is with a itself over a Area B extending Fresnel structure provided. The Fresnel structure reflects the sunlight L entering the window S. Interface G back, with the reflection direction with the interface G includes an angle φ3 = 25 grd. Of the Angle or the direction of reflection with the flank angle ε of Fresnel structure set in the one chosen here Example should be 32.5 grd.

Der Winkel φ3 weicht vom Grenzwinkel der Totalreflexion so weit ab, daß das Licht an der Grenzfläche G in die Scheibe S zurück reflektiert und innerhalb der Scheibe S durch Totalreflexion fortgeleitet wird und schließlich auf eine Solarzelle Z trifft, die an einem schmalseitigen Austrittsende der Scheibe S angeordnet ist.Of the Angle φ3 differs from the critical angle of total reflection far from the fact that the light at the interface G in the disc S is reflected back and inside the disc S is passed through total reflection and finally meets a solar cell Z, which at a narrow-side outlet end the disc S is arranged.

Die auf diese Weise mit der Solarzelle Z gewonnene Menge an elektrischer Energie ist um ein Vielfaches höher als bei direkter, ungebündelter Einstrahlung des Sonnenlichtes L auf dieselbe Solarzelle Z.The in this way with the solar cell Z obtained amount of electrical Energy is many times higher than direct, unbundled Irradiation of the sunlight L on the same solar cell Z.

Aus 2 ist die in die Glasscheibe eingebrachte, sich über einen Bereich B erstreckende sägezahnförmige Fresnel-Struktur mit dem hier beispielhaft gewählten Flankenwinkel ε = 32,5 grd ersichtlich. Zugleich dient diese Darstellung der Verdeutlichung des Verlaufs der Strahlung außerhalb und innerhalb der Scheibe S.Out 2 is the introduced into the glass, over a range B extending sawtooth Fresnel structure with the flank angle ε = 32.5 grd selected here as an example. At the same time, this representation serves to clarify the course of the radiation outside and inside the disc S.

Der Winkel φ1, den die Einfallsrichtung E mit der Normalen N der Einstrahlfläche der Scheibe S einschließt, beträgt hier, wie oben bereits beschrieben, ±0 grd. In Abhängigkeit davon beträgt gemäß der Funktion φ2 = arcsin(sinφ1/n) mit n der Brechzahl der Winkel φ2 ebenfalls ±0 grd. Die Fresnel-Struktur ist hier so ausgeführt, so daß sich gemäß der Funktion φ3 = 90 grd – (2·ε – φ2) der Winkel φ3 = 25 grd ergibt, der zur Totalreflexion an der Grenzfläche G führt.The angle φ1, which includes the direction of incidence E with the normal N of the incident surface of the disc S, here, as already described above, ± 0 grd. Depending on this, according to the function φ 2 = arcsin (sinφ 1 / n) with n the refractive index the angle φ2 also ± 0 grd. The Fresnel structure is designed here so that according to the function φ 3 = 90 grd - (2 · ε - φ 2 ) the angle φ3 = 25 grd, which leads to the total reflection at the interface G.

Die Breite des Bereiches B ist zu begrenzen, damit das Licht nach der Reflexion an der Grenzfläche G auf möglichst wenige gleichgerichtete Flanken der Fresnel-Struktur trifft, was in einem unerwünscht hohem Maße zu einer Veränderung des Winkels φ3 und damit zu weniger Energieertrag an führen würde.The Width of the area B must be limited so that the light after the Reflection at the interface G on as few rectified flanks of the Fresnel structure hits, resulting in a undesirably high degree to a change the angle φ3 and thus lead to less energy would.

3 zeigt eine im Vergleich zu 1 erweiterte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung. Es sind hier sechs Scheiben S1 bis S6 parallel übereinander gelegt und dabei relativ zur Einfallsrichtung E des Sonnenlichtes L ebenso ausgerichtet wie die einzelne Scheibe S in 1. Jede der Scheiben S1 bis S6 weist einen mit einer Fresnel-Struktur versehenen Bereich B auf, wobei die Bereiche B von Scheibe S1 bis hin zur Scheibe S6 um diesen Betrag B zueinander versetzt sind. Jeweils zwischen zwei übereinander liegenden Schreiben S1 bis S6 ist ein Luftspalt vorgesehen. 3 shows one compared to 1 extended embodiment of the arrangement according to the invention. Here, six slices S1 to S6 are placed in parallel on top of each other and aligned relative to the direction of incidence E of the sunlight L as well as the individual slices S in 1 , Each of the slices S1 to S6 has a region B provided with a Fresnel structure, wherein the regions B from slice S1 to slice S6 are offset from each other by this amount B. In each case between two superimposed writing S1 to S6, an air gap is provided.

Auch die in 3 dargestellte Situation einschließlich der Ausrichtung der Scheiben S1 bis S6 entspricht, wie auch schon in 1, dem Stand der Sonne im Zenit. Weicht der Sonnenstand vom Zenit ab, ergeben sich Situationen wie nachfolgend erläutert.Also in 3 illustrated situation, including the orientation of the slices S1 to S6 corresponds, as already in 1 , the state of the sun in the zenith. If the position of the sun deviates from the zenith, situations arise as explained below.

Tritt das Sonnenlicht, wie in 4 dargestellt, unter einem Winkel φ1 = –30 grd in die Scheiben S1 bis S6 ein, ergeben sich entsprechend der o. g. Funktionen φ2 = –19,2 Grd und φ3 = 5,8 grd. Zur Erläuterung zeigt 5 den prinzipiellen Verlauf der Strahlung außerhalb und innerhalb der Scheibe S bis zu deren Auftreffen auf die Solarzelle Z.Kick the sunlight, as in 4 shown, at an angle φ1 = -30 grd in the slices S1 to S6, resulting in accordance with the above functions φ2 = -19.2 and Grd φ3 = 5.8 grd. For explanation shows 5 the basic course of the radiation outside and inside the disc S until it hits the solar cell Z.

Im Verlaufe des sich weiter verändernden Sonnenstandes ergeben sich Situationen wie beispielhaft in 6 und 7 dargestellt. Tritt das Sonnenlicht wie in 6 unter einem Winkel φ1 = –20 grd in die Scheiben S1 bis S6 ein, bilden sich die Winkel φ2 = –13.0 grd und φ3 = 12.0 grd. Bei dem in 7 dargestellten Winkel φ1 = –10 grd nähert sich die Sonne bereits dem Zenit; es ergeben sich dabei Winkel φ2 = –6.6 grd und φ3 = 18.4 grd.In the course of the ever changing position of the sun situations arise as exemplarily in 6 and 7 shown. Kick the sunlight like in 6 at an angle φ1 = -20 grd into the slices S1 to S6, the angles φ2 = -13.0 degrees and φ3 = 12.0 degrees are formed. At the in 7 shown angle φ1 = -10 grd, the sun is already approaching the zenith; this results in angles φ2 = -6.6 and φ3 = 18.4 degrees.

In 4, 6 und 7 sind Situationen dargestellt, in denen die Sonne den Zenit noch nicht erreicht hat. In jeder dieser Situationen ist trotz der Abweichung der Einstrahlrichtung E von der Normalen N das von den Scheiben S1 bis S6 gesammelte und umgelenkte Sonnenlicht L konzentriert auf die Solarzelle Z gerichtet, da das Sonnenlicht L mit dem Eintritt in die Scheibe S1 zum Einfallslot hin gebrochen wird und dadurch unter einem sich mit dem Sonnenstand veränderndem Winkel φ2 in jede der Scheiben S1 bis S6 eindringt, was zur Folge hat, daß das Sonnenlicht L in jeder der Scheiben S1 bis S6 unter einem sich wiederum in Abhängigkeit vom Sonnenstand ändernden Winkel φ3 zur Grenzfläche G an der jeweiligen Scheibe S1 bis S6 zurück reflektiert, an der jeweiligen Grenzfläche G total reflektiert, innerhalb der betreffenden Scheibe S1 bis S6 durch Totalreflexion fortgeleitet wird und schließlich auf die an den schmalseitigen Austrittsenden der Scheiben S1 bis S6 angeordnete Solarzelle Z trifft.In 4 . 6 and 7 are situations in which the sun has not yet reached zenith. In each of these situations, despite the deviation of the irradiation direction E from the normal N, the sunlight L collected and deflected by the slices S1 to S6 is concentrated on the solar cell Z because the sunlight L is refracted toward the entrance slit with the entrance to the slab S1 and thereby penetrates into each of the slices S1 to S6 under an angle φ2 changing with the position of the sun, with the result that the sunlight L in each of the slices S1 to S6 is at an angle φ3 which in turn changes as a function of the position of the sun to the boundary surface G is reflected back at the respective pane S1 to S6, totally reflected at the respective boundary surface G, propagated by total reflection within the respective pane S1 to S6 and finally impinges on the solar cell Z arranged at the narrow-side outlet ends of the panes S1 to S6.

In 8 bis 10 ist eine Auswahl an Situationen dargestellt, bei denen die Sonne den Zenit überschritten hat. So betrachtet 8 die Situation bei einem Winkel φ1 = 10 grd; in Abhängigkeit davon ergeben sich φ2 = 6.6 grd und φ3 = 31.6 grd. In 9 ergeben sich in Abhängigkeit von einem Winkel φ1 = 20 grd für φ2 = 13 grd und für φ3 = 38 grd. In 10 beträgt der Winkel φ1 = 30 grd, in Abhängigkeit davon betragen φ2 = 19.2 grd und φ3 = 44.2 grd.In 8th to 10 is a selection of situations in which the sun has passed the zenith. So considered 8th the situation at an angle φ1 = 10 grd; depending on this we have φ2 = 6.6 grd and φ3 = 31.6 grd. In 9 result in dependence of an angle φ1 = 20 grd for φ2 = 13 grd and for φ3 = 38 grd. In 10 the angle φ1 = 30 grd, depending on that φ2 = 19.2 grd and φ3 = 44.2 grd.

Es sind die Winkel φ1 und φ2 immer dann positiv, wenn das Sonnenlicht aus dem ersten Quadranten der Zeichenebene auf die Grenzfläche G einfällt.It the angles φ1 and φ2 are always positive, if the sunlight is from the first quadrant of the drawing plane incident on the interface G.

In die Erfindung eingeschlossen sind auch Ausgestaltungen wie beispielhaft in 11 dargestellt. Hierbei sind beide schmalseitigen Enden der Scheiben S1 bis S6 als Austrittsenden für das gebündelte Sonnenlicht vorgesehen und dort jeweils Solarzellen Z angeordnet. Die Fresnel-Strukturen sind innerhalb der Scheiben S1 bis S6 jeweils symmetrisch zu einer Achse A positioniert, so daß sich bei parallel zur Normalen N einfallendem Sonnenlicht L auch ein von der Achse A ausgehender symmetrischer Strahlungsverlauf in den Scheiben S1 bis S6 ergibt. Mit sich veränderndem Sonnenstand entstehen beidseitig der Achse A die mit den Darstellungen in 1, 3, 4 und 6 bis 10 vergleichbaren Situationen.Embodiments such as exemplified in FIG 11 shown. In this case, both narrow-side ends of the slices S1 to S6 are provided as exit ends for the bundled sunlight, and each solar cell Z is arranged there. The Fresnel structures are each positioned symmetrically to an axis A within the slices S1 to S6, so that, when sunlight L is incident parallel to the normal N, a symmetrical radiation course in the slices S1 to S6 results from the axis A as well. With changing sun position arise on both sides of the axis A with the representations in 1 . 3 . 4 and 6 to 10 comparable situations.

Es sei ausdrücklich betont, daß die Anzahl von sechs Scheiben in den vorbeschriebenen Ausgestaltungen lediglich beispielhaft gewählt worden ist. Eine größere oder auch geringere Anzahl liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung. Ebenso Ausgestaltungen, bei denen mehrere der in 11 gezeigten Anordnungen nebeneinander liegen. Mit solchen Anordnungen wird eine im Vergleich zu der Ausführung nach 1 noch höhere Energieeffizienz erzielt.It should be emphasized that the number of six discs in the above-described embodiments has been chosen by way of example only. A larger or smaller number is of course within the scope of the invention. Likewise, embodiments in which several of the in 11 shown arrangements are adjacent. With such arrangements, a comparison with the embodiment according to 1 even higher energy efficiency achieved.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich mit Anordnungen, bei denen anstelle von übereinander gelegten Scheiben Glas- oder Kunststoffplatten verwendet werden, die, wie in 12 und 13 dargestellt, als Ganzes ausgeführt sind. Diese Platten sind an der unteren, das heißt der Grenzfläche G gegenüberliegenden Seite treppenartig abgestuft. Die einzelnen Stufen entsprechen bezüglich ihrer Positionierung, Ausdehnung und Beschaffenheit den Bereichen B in den bereits oben beschriebenen Ausgestaltungen und sind mit verspiegelten, nach innen reflektierenden Fresnel-Strukturen versehen. Diese Ausgestaltungen haben insofern technologische Vorteile, als an Stelle von mehreren dünnen Einzelscheiben eine dickere Einzelscheibe verwendet wird. Die Herstellung der Treppenform kann also in nur einem einzigen Fertigungsschritt erfolgen, z. B. durch Reaktionsgießen, Heißprägen oder Kaltpressen, wodurch die Herstellung stark vereinfacht und preiswert ist.Further embodiments will become apparent with arrangements in which instead of superimposed discs glass or plastic plates are used, which, as in 12 and 13 shown, are executed as a whole. These plates are stepped at the bottom, that is, the interface G opposite side stepped. The individual stages correspond to the areas B in terms of their positioning, expansion and texture in the embodiments already described above and are provided with mirrored, inwardly reflecting Fresnel structures. These embodiments have technological advantages, as a thicker single disc is used instead of several thin individual discs. The preparation of the staircase can thus be done in only a single manufacturing step, z. B. by reaction casting, hot stamping or cold pressing, whereby the production is greatly simplified and inexpensive.

Konkrete Ausgestaltungen sind sowohl analog zu den Darstellungen in 1, 3, 4 und 6 bis 10 denkbar, mit spiegelsymmetrischem Aufbau, wie beispielhaft in 12 dargestellt, oder auch mehrfach aneinander gereiht wie in 13 gezeigt. Durch solche Aneinanderreihungen können beliebig große Solarkonzentratoren bereitgestellt werden.Concrete embodiments are analogous to the representations in FIG 1 . 3 . 4 and 6 to 10 conceivable, with mirror-symmetrical structure, as exemplified in 12 represented, or repeatedly lined up as in 13 shown. By such juxtaposition arbitrarily large solar concentrators can be provided.

Bei den bisher beschriebenen Ausgestaltungen sind Fresnel-Strukturen mit einem Flankenwinkel ε = 32,5 grd vorgesehen. Ergänzend dazu zeigt 14 beispielhaft einen alternativen Strahlungsverlauf bei Verwendung einer Fresnel-Struktur mit einem Flankenwinkel ε = 21 grd bei gleicher Brechzahl des Glases von n = 1.5178. Wie hier ersichtlich, ist für den Winkel φ1 ein sehr weiter Bereich von –45 grd bis +45 grd möglich.In the embodiments described so far Fresnel structures are provided with a flank angle ε = 32.5 grd. In addition to this shows 14 by way of example, an alternative radiation profile when using a Fresnel structure with a flank angle ε = 21 grd with the same refractive index of the glass of n = 1.5178. As can be seen here, for the angle φ1 a very wide range of -45 grd to +45 grd is possible.

Mit der Verwendung erfindungsgemäßen optischen Anordnung auf diese Weise wird das aus einer sich stetig ändernden Richtung einfallende Sonnenlicht allein mit optischen Mitteln umgelenkt und gebündelt auf eine Photozelle gerichtet; eine mechanische Einrichtung zur Nachführung der Photozelle zur deren Ausrichtung auf die jeweilige Lichteinfallsrichtung ist nicht erforderlich.With the use of optical arrangement according to the invention In this way, that will turn out to be a constantly changing one Direction of incident sunlight deflected by optical means alone and focused on a photocell; a mechanical one Device for tracking the photocell for alignment to the respective light incident direction is not required.

15 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in der zweiten Ausführungsform, und zwar zum Homogenisieren des von der Grenzfläche G einer Scheibe S abgestrahlten Lichtes. 15 shows the basic structure of the arrangement according to the invention in the second embodiment, namely for homogenizing the radiated from the interface G of a disc S light.

Wie aus 15 ersichtlich, tritt das von einer Lichtquelle Q abgestrahlte Licht in die Scheibe S ein und wird innerhalb der Scheibe S durch Totalreflexion fortgeleitet, wobei die verschiedenen, chaotisch verteilten Ausbreitungsrichtungen des Lichtes, von denen hier der Übersichtlichkeit halber nur einige dargestellt sind, mit der Grenzfläche G Winkel im Bereich ±φ3 einschließen.How out 15 As can be seen, the light emitted by a light source Q enters the disc S and is propagated within the disc S by total reflection, the different, chaotically distributed propagation directions of the light, of which only a few are shown here for clarity, with the interface G Include angles in the range ± φ3.

In diesen Ausbreitungsrichtungen trifft das Licht auf die Flanken F einer verspiegelten Fresnel-Struktur mit beispielsweise einem Flankenwinkel ε = 32,5 grd und wird von den Flanken F zur Grenzfläche G zurück reflektiert. Da das Licht unter verschiedenen Ausbreitungsrichtungen auf die Flanken F trifft, sind auch die Reflexionsrichtungen chaotisch verschieden und vom jeweiligen Winkel φ3 abhängig. Von der hier ebenfalls sägezahnförmigen Fresnel-Struktur ist in 15 der Übersichtlichkeit halber lediglich eine Flanke F dargestellt.In these propagation directions, the light impinges on the flanks F of a mirrored Fresnel structure with, for example, a flank angle ε = 32.5 grd and is reflected back from the flanks F to the boundary surface G. Since the light strikes the flanks F under different propagation directions, the reflection directions are also chaotically different and depend on the respective angle φ3. From here also sawtooth Fresnel structure is in 15 for the sake of clarity, only one flank F is shown.

Aufgrund des vorgegebenen Flankenwinkels ε schließen die Reflexionsrichtungen mit der Normalen N der Grundfläche G Winkel φ2 ein, die in Bezug auf die Grenzfläche G die Bedingung der Totalreflexion nicht erfüllen, so daß das Licht durch die Grenzfläche G hindurch aus der Scheibe S austritt. Beim Übergang in das die Scheibe umgebende weniger dichte Medium werden die Reflexionsrichtungen, außer der jeweils parallel zur Normalen N verlaufenden Reflexionsrichtung, von der Normalen N weg gebrochen, so daß sich das Licht außerhalb der Scheibe S in den mit R bezeichneten Richtungen mit chaotischer Verteilung ausbreitet.On the basis of the predetermined flank angle ε, the reflection directions with the normal N of the base area G include angles φ2 which are related to each other on the interface G do not meet the condition of total reflection, so that the light exits through the interface G through from the disc S. In the transition into the less dense medium surrounding the disc, the reflection directions, except for the reflection direction parallel to the normal N, are refracted away from the normal N, so that the light outside the disc S propagates in the directions designated R in a chaotic distribution ,

Die in 15 beispielhaft dargestellten wenigen Richtungen R schließen in Abhängigkeit von dem jeweiligen Winkel φ2 bzw. φ3 mit der Normalen N einen Winkel φ1 ein. Der Winkel φ1, den die Richtungen R bei dem Flankenwinkel ε = 32,5 grd einnehmen können, liegt analog zu der anhand 2 erläuterten Ausführungsform im Bereich von etwa –30 grd bis etwa +30 grd, wobei auch hier der Winkel φ1 bei Ausbreitungsrichtung im ersten Quadranten der Zeichenebene positiv ist.In the 15 The few directions R illustrated by way of example enclose an angle φ1 with the normal N as a function of the respective angle φ2 or φ3. The angle φ1, which the directions R can assume at the flank angle ε = 32.5 grd, is analogous to that of FIG 2 explained embodiment in the range of about -30 to about +30 grd, here also the angle φ1 in the propagation direction in the first quadrant of the plane is positive.

Die Strahlung verläuft innerhalb und außerhalb der Scheibe S bei der Ausführungsform nach 15 im Vergleich zu der Ausführungsform nach 2 in umgekehrter Richtung, wobei jedoch im wesentlichen dieselben physikalischen Gesetzmäßigkeiten gelten. Aus diesem Grund sind auch die Ausgestaltungen nach 1 bis 14 im übertragenen Sinn zur Homogenisierung bzw. zur Erzielung einer von der Grenzfläche G ausgehenden homogenen Leuchtdichte nutzbar.The radiation proceeds inside and outside the disc S in the embodiment 15 in comparison to the embodiment according to 2 in the opposite direction, but apply essentially the same physical laws. For this reason, the embodiments are after 1 to 14 in a figurative sense for the homogenization or for obtaining a homogeneous luminance emanating from the interface G usable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

AA
Achseaxis
Ee
Einfallsrichtungincidence direction
FF
Flankeflank
GG
Grenzflächeinterface
LL
Sonnenlichtsunlight
NN
Normalenormal
QQ
Lichtquellelight source
RR
Richtungendirections
S, S1 bis S6S, S1 to S6
Scheibenslices
ZZ
Solarzellesolar cell
φ1, φ2, φ3φ1, φ2, φ3
Winkelangle
εε
Flankenwinkelflank angle

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 20030015233 A1 [0009] US 20030015233 A1 [0009]
  • - US 5877874 [0010] US 5877874 [0010]

Claims (11)

Optische Anordnung zum Beeinflussen der Ausbreitungsrichtung von Licht, umfassend – mindestens eine durch zwei sich parallel gegenüber liegende Großflächen und umlaufende Schmalflächen begrenzte Platte aus einem transparenten Material, das im Vergleich zu einem umgebenden Medium optisch dichter ist, wobei – eine der beiden Großflächen als Grenzfläche (G) für den Übergang des Lichtes aus dem umgebenden Medium in die Platte oder umgekehrt aus der Platte in das umgebende Medium vorgesehen ist, – die zweite Großfläche mit einer nach innen reflektierenden Fresnel-Struktur versehen ist, und – die Platte zu einer Lichtquelle so ausgerichtet ist, daß das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht durch die Grenzfläche (G) hindurch in die Platte eintritt, innerhalb der Platte von der Fresnel-Struktur so zur Grenzfläche (G) zurück reflektiert wird, daß es innerhalb der Platte durch Totalreflexion bis zu mindestens einer der Schmalflächen fortgeleitet wird und dort austritt, oder – die Platte zu einer Lichtquelle so ausgerichtet ist, daß das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht durch mindestens eine der Schmalflächen in die Platte eintritt, innerhalb der Platte durch Totalreflexion zu der Fresnel-Struktur geleitet wird, von dieser zu der Grenzfläche (G) hin reflektiert wird und infolge dessen durch die Grenzfläche (G) hindurch in das umgebende Medium austritt.Optical arrangement for influencing the propagation direction of light, comprising - at least one by two parallel large areas and encircling narrow surfaces of a limited plate transparent material compared to a surrounding medium is optically denser, where - one of the two large areas as interface (G) for the transition of the light from the surrounding medium into the plate or vice versa is provided from the plate into the surrounding medium, - the second large area with an inwardly reflective Fresnel structure is provided, and - the plate too a light source is aligned so that the of the Light source radiated light through the interface (G) enters the plate, inside the plate of the Fresnel structure is reflected back to the interface (G), that it is within the plate by total reflection up to at least one of the narrow surfaces is forwarded and exit there, or - the plate to a light source is aligned so that the radiated from the light source Light through at least one of the narrow surfaces in the plate enters inside the plate by total reflection to the Fresnel structure is directed, reflected from this to the interface (G) out and as a result passes through the interface (G) enters the surrounding medium. Optische Anordnung nach Anspruch 1, wobei – an mindestens einer der Schmalseiten eine Photozelle angeordnet ist, – die Grenzfläche (G) der Lichtquelle so zugewandt ist, daß die Lichteinfallsrichtung mit der Normalen (N) der Grenzfläche (G) einen Winkel aus einem Bereich ±φ1 einschließt, bei dem das Licht mit dem Eintritt in die Platte zum Einfallslot hin gebrochen wird und dadurch unter einem vom jeweils aktuellen Winkel φ1 abhängigen Winkeln φ2 in die Platte eintritt, – die Fresnel-Struktur das Licht unter einem von φ2 abhängigen Winkel φ3 zur Grenzfläche (G) zurück reflektiert, so daß – das Licht an der Grenzfläche (G) total reflektiert und innerhalb der Platte durch Totalreflexion fortgeleitet wird, und – auf die an der Schmalseite angeordnete Photozelle gerichtet ist.An optical arrangement according to claim 1, wherein - at at least one of the narrow sides of a photocell is arranged, - the Interface (G) of the light source is facing so that the Direction of light incidence with the normal (N) of the interface (G) includes an angle from a range ± φ1, in which the light with the entry into the plate to Einfallslot broken down and thereby under one of the current Angle φ1 dependent angles φ2 in the Plate enters, - The Fresnel structure the light at an angle φ3 dependent on φ2 reflected back to the interface (G), so that - the Light at the interface (G) totally reflected and within the plate is propagated by total reflection, and - on which is arranged on the narrow side photocell is directed. Anordnung nach Anspruch 2, mit einer ihre Position zeitlich ändernde Lichtquelle, wobei die Lichteinfallsrichtung mit der Normalen (N) der Grenzfläche (G) einen sich in zeitlicher Folge ändernden Winkel φ1 einschließt.Arrangement according to claim 2, with its position time-varying light source, wherein the light incident direction with the normal (N) of the interface (G) in temporal sequence includes changing angle φ1. Anordnung nach Anspruch 1, wobei – an mindestens einer der Schmalseiten eine Lichtquelle (Q) angeordnet ist, – das von der Lichtquelle (Q) abgestrahlte Licht durch diese Schmalseite in die Platte eintritt und innerhalb der Platte durch Totalreflexion fortgeleitet wird, dabei auf die Fresnel-Struktur trifft und von dieser in verschiedene Richtungen, die mit der Normalen (N) der Grenzfläche (G) Winkel in einem Bereich ±φ2 einschließen, zur Grenzfläche (G) zurück reflektiert wird, so daß das Licht durch die Grenzfläche (G) hindurch tritt, dabei vom Einfallslot weg gebrochen wird und infolge dessen in verschiedenen Richtungen, die mit der Normalen (N) der Grenzfläche (G) Winkel im Bereich ±φ1 einschließen, aus der Platte austritt.Arrangement according to claim 1, wherein - at arranged at least one of the narrow sides of a light source (Q) is - The emitted light from the light source (Q) enters through this narrow side into the plate and within the Plate is propagated by total reflection, while the Fresnel structure and from this in different directions, with the normal (N) the interface (G) angle in a range ± φ2 include, back to the interface (G) is reflected, so that the light through the interface (G) passes through, is thereby broken away from the entrance slot and as a result, in different directions, with the normal (N) the interface (G) angle in the range ± φ1 include, exit from the plate. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher das umgebende Medium Luft ist und die Platte aus Glas oder Kunststoff mit einer Brechzahl im Bereich n = 1.47 bis 1.75 besteht.Optical arrangement according to one of the preceding claims, where the surrounding medium is air and the plate is glass or plastic having a refractive index in the range n = 1.47 to 1.75. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Winkel φ1 in einem Bereich von –45 grd bis +45 grd liegt.Optical arrangement according to one of the preceding claims, where the angle φ1 is in a range of -45 grd to +45 grd. Optische Anordnung nach Anspruch 6, bei der in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Winkel φ1 – der Winkel φ2 in einem Bereich von –25.9 grd bis +25.9 grd liegt, und – der Winkel φ3 in einem Bereich von 0.001 grd bis 55.2 grd liegt.An optical arrangement according to claim 6, wherein depending on from the current angle φ1 - the angle φ2 in a range from -25.9 grd to +25.9 grd, and - of the Angle φ3 is in a range of 0.001 to 55.2 grd. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die der Lichtquelle zugewandte Grenzfläche (G) der Platte mit einer IR-Strahlung reflektierenden Schicht versehen ist.Optical arrangement according to one of the preceding claims, in which the light source facing the interface (G) of the plate provided with an IR radiation reflecting layer is. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die der Grenzfläche (G) gegenüber liegende Großfläche eine treppenförmige Abstufung aufweist.Optical arrangement according to one of the preceding claims, at which the of the interface (G) opposite lying large area a staircase-shaped Gradation. Verwendung der optischen Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche zum Umlenken und Konzentrieren des aus der sich im Tagesverlauf stetig ändernden Richtung einfallenden Sonnenlichtes auf eine Solarzelle (Z).Use of the optical arrangement according to one of The above claims for redirecting and concentrating the from the constantly changing direction during the day incident sunlight onto a solar cell (Z). Verwendung der optischen Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche als flächige Lichtquelle, die bezüglich seiner Intensität homogenisiertes Licht abstrahlt.Use of the optical arrangement according to one of aforementioned claims as surface light source, the homogenized with respect to its intensity Light radiates.
DE102009032575A 2009-07-10 2009-07-10 Optical arrangement for deflecting and concentrating sunlight on solar cell in solar power plant, has plate aligned to light source so that light is transmitted to Fresnel-structure and enters through boundary surface to medium i.e. air Ceased DE102009032575A1 (en)

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