DE102010014107A1

DE102010014107A1 - Optische Anordnung zur Konzentration von Strahlung

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Publication number: DE102010014107A1
Application number: DE102010014107A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hornung; Dr. Nitz Peter; Andreas Gombert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Concentrix Solar GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Soitec Solar GmbH
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2011-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung von Optiken, die zumindest teilweise Fresnellinsen sein können, zur Konzentration von Strahlung, welche die bei Verwendung von Fresnellinsen normalerweise auftretenden Verluste minimiert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Solarzellen-Konzentratormodul, das mit einer solchen optischen Anordnung ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung von Optiken, die zumindest teilweise Fresnellinsen sein können, zur Konzentration von Strahlung, welche die bei Verwendung von Fresnellinsen normalerweise auftretenden Verluste minimiert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Solarzellen-Konzentratormodul, das mit einer solchen optischen Anordnung ausgestattet ist.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die erfindungsgemäße optische Anordnung mit Fresnellinsenbereichen beschrieben. Es ist aber auch möglich, dass zumindest einzelne oder alle Linsenbereiche durch andere fokussierende Optiken belegt sind, auch wenn dies im Folgenden nicht mehr ausdrücklich erwähnt wird.
Gewöhnliche Linsen werden mit größerem Öffnungsverhältnis (das Öffnungsverhältnis ist das Verhältnis von Linsendurchmesser zu Brennweite) sehr dick und schwer zu fertigen. Um dieses Problem zu umgehen, werden vielfach Fresnellinsen eingesetzt. Dabei werden auf der Linsenoberfläche kleine Prismen ausgebildet, die nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind. So entsteht eine im Wesentlichen flache Linse, wie sie im Alltag z. B. bei Overhead-Projektoren oder als Streulinse an Heckscheiben von Autos zu finden sind.
In der konzentrierenden Photovoltaik werden Fresnellinsen eingesetzt, um Sonnenlicht auf kleine Solarzellen zu konzentrieren. Dabei ist es nicht unbedingt das Ziel, ein möglichst sauberes Bild der Sonne zu erzeugen, wie bei einer abbildenden Optik, sondern möglichst viel Licht auf die Solarzelle zu konzentrieren (nichtabbildende Optik). Teilweise wird auch angestrebt, ein möglichst homogenes Profil im Brennfleck zu erzielen, wie dies z. B. in (Daniel Vázquez Molini et al., Pat. No. WO 2008/152157 A1 ”Refractive optical system for collecting and concentrating solar energy”, 2008) beschrieben ist.
Hierbei ist es vorteilhaft, möglichst große Öffnungsverhältnisse der Fresnellinsen zu realisieren, da sich hierdurch eine höhere Konzentration des Sonnenlichts erreichen lässt, außerdem der Strahlversatz bei Winkelfehlern in der Ausrichtung des Solarmoduls auf die Sonne sinkt und sich darüber hinaus der Abstand zwischen konzentrierender Optik und Solarzelle verringern lässt, wodurch sich flachere Konzentrator-Solarzellenmodule realisieren lassen.
Normalerweise werden für Solarzellen-Konzentratormodule refraktive Fresnellinsen eingesetzt, deren Linsenoberfläche wie oben beschrieben eine Vielzahl kleiner, parallel zueinander angeordneter Prismen aufweist, welche nebeneinander in einer Linsenbezugsfläche angeordnet sind, wobei Licht durch Brechung an den Grenzflächen der Prismen abgelenkt wird. Die Bezugsfläche der Linse kann eine Ebene sein, aber auch gekrümmte, z. B. domförmige, Bezugsflächen sind möglich. Unter einer Linsenbezugsfläche soll im Folgenden die durch die Anordnung der Fresnelprismen gegebene, im Wesentlichen zusammenhängende Fläche verstanden werden, die nicht zwangsweise eben ist. Licht wird durch Brechung an den Grenzflächen der Prismen (den so genannten Wirkflanken der Prismen sowie, bei nicht senkrecht auf die Oberfläche treffendem Licht, an der Eintrittsgrenzfläche) abgelenkt. Die dritte, bei refraktiven Fresnellinsen nicht optisch aktive Prismenfläche wird Störflanke genannt. Problematisch ist nun, dass Reflexionsverluste an den Grenzflächen der Prismen der Fresnellinse mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse ansteigen. Refraktive Fresnellinsen mit großem Öffnungsverhältnis weisen daher verhältnismäßig hohe Reflexionsverluste auf. Die Reflexionsverluste treten vor allem in Prismen auf, die einen relativ zur Brennweite großen Abstand zur optischen Achse haben.
In hinreichend großem Abstand zur optischen Achse (relativ zur Brennweite der Linse gemessen) lässt sich das Problem durch Einsatz sog. TIR-Fresnellinsen beheben. TIR-Fresnellinsen beruhen auf dem Prinzip der internen Totalreflexion. TIR steht für „Total Internal Reflection”, also Totalreflexion. TIR-Fresnellinsen können daher synonym als Totalreflexions-Fresnellinsen bezeichnet werden.
Dabei wird die Lichtumlenkung nicht im Wesentlichen alleine durch Lichtbrechung an der Austrittsfläche des Fresnel-Prismas erzeugt, wie bei refraktiven Fresnellinsen, sondern das Licht trifft unter so großem Winkel auf die erste Prismenfläche (”Wirkflanke”), dass es im Inneren totalreflektiert wird und aus der anderen Prismenflanke („Störflanke”) austritt. Problematisch bei TIR-Fresnellinsen ist, dass diese, wenn sie nahe der optischen Achse angeordnet werden, größere Verluste aufweisen als refraktive Fresnellinsen in diesem Bereich. Bei relativ zur Linsenbrennweite sehr großen Abständen zur optischen Achse und ebenen Linsen können sich die Fresnel-Prismen außerdem gegenseitig abschatten, was ebenfalls zu Verlusten führt.
Refraktive Fresnellinsen mit regulärem Design weisen also nahe der optischen Achse geringere Verluste als am Linsenrand auf, während Fresnellinsen mit TIR-Design bei größeren Abständen zur optischen Achse geringere Verluste aufweisen als im Linsenzentrum. 1 zeigt dies graphisch (schematisch). Betrachtet werden die Verlustmechanismen an einem einzelnen Fresnel'schen Linsensegment. Hier ist auf der senkrechten Achse der optische Verlust eines Fresnelprismas mit 1° Störflankenwinkel in Prozent aufgetragen, während auf der horizontalen Achse das Öffnungsverhältnis, hier zu verstehen als der doppelte Abstand des betrachteten Prismas zur optischen Achse geteilt durch die Brennweite der Fresnellinse, aufgetragen ist (der Störflankenwinkel ist hierbei gemessen zwischen der Flanke und der optischen Achse).
Zusätzlich zu den in 1 gezeigten Verlustmechanismen können bei konzentrierenden Fresnellinsen noch andere optische Verluste auftreten (z. B. bedingt durch typische Fertigungstoleranzen) oder, z. B. je nach verwendetem Linsenmaterial, die einzelnen Verluste in ihrer Größe stark variieren. Die 1 ist demnach als schematische Graphik zu verstehen, um das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip zu verdeutlichen. Bei einer tatsächlichen Realisierung sind aber u. U. weitere Verlustmechanismen zu berücksichtigen und die Verluste weisen andere absoluten Größen auf. Entsprechend kann sich auch die Lage der verschiedenen Verlustkurven bezüglich der x-Achse verschieben oder die Lage der Verlustkurven zueinander.
In 1 zeigt die dünne gestrichene Linie den Verlust durch die Störflanke eines refraktiven Fresnelprismas und die dünne durchgezogene Linie den Verlust an der Wirkflanke eines refraktiven Fresnelprismas. Die dicke durchgezogene Linie zeigt den Gesamtverlust eines refraktiven Fresnelprismas. Die Strich-Punkt-Punkt-Linie gibt den Verlust durch die Störflanke eines TIR-Prismas an, während die gepunktete Linse die Reflexion an der Störflanke eines TIR-Prismas angibt. Die Strich-Punkt-Linie stellt die Verschattung durch das Richtung optische Achse angrenzende Prisma für eine Linse dar, bei der alle Fresnel-Prismen in einer Ebene angeordnet sind. Die dicke gestrichelte Linie ist der Gesamtverlust eines TIR-Prismas.
Es ist deutlich zu erkennen, dass der Gesamtverlust bei refraktiven Linsen im Bereich kleiner Öffnungsverhältnisse gering ist (Bereich A) und mit größer werdenden Öffnungsverhältnissen stark ansteigt (Bereich C und B). Andererseits ist zu erkennen, dass der Gesamtverlust einer TIR-Linse im Bereich größerer Öffnungsverhältnisse geringer wird (Bereich B) und für kleinere Öffnungsverhältnisse ansteigt (Bereich C und A). Die Grenzen der Bereiche A, B, C sind hier wiederum nur exemplarisch gewählt, um den prinzipiellen Sachverhalt zu verdeutlichen. Dabei müssen die Grenzen zwischen den Bereichen A, C und C, B nicht notwendigerweise bei demselben Gesamtverlust angesiedelt sein.
Wünschenswert wäre es, eine Linse so aus refraktiven Fresnellinsen und TIR-Fresnellinsen zusammenzusetzen, dass die Verluste insgesamt gering bleiben. Hierbei würde man nahe der optischen Achse eine refraktive Fresnellinse vorsehen (Bereich A), während man in größeren Abständen von der optischen Achse eine TIR-Fresnellinse vorsehen würde (Bereich B). Problematisch ist hierbei jedoch, dass, wenn der refraktive Bereich und der TIR-Bereich direkt aneinander grenzen, in einem bestimmten Abstandsbereich von der optischen Achse die Verluste beider Linsentypen hoch sind (in 1 der Bereich C), so dass es in diesem Zwischenbereich zu verhältnismäßig hohen Verlusten kommt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Anordnung anzugeben, welche zur Konzentration von Strahlung geeignet ist und die oben genannten Probleme überwindet, also insbesondere Licht in allen Bereichen einer Einfallsfläche oder Apertur der optischen Anordnung mit geringen Verlusten in einen Fokus ablenkt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die optische Anordnung zur Konzentration von Strahlung nach Anspruch 1 sowie durch das Solarzellen-Konzentratormodul nach Anspruch 25. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung werden durch die entsprechenden abhängigen Ansprüche gegeben.
Erfindungsgemäß wird eine optische Anordnung zur Konzentration von Strahlung bereitgestellt, die zumindest einen in einer Linsenebene bzw. auf einer kontinuierlichen Linsenfläche oder Linsenbezugsfläche angeordneten Linsenbereich erster Art, vorzugsweise einen refraktiven Fresnellinsenbereich, aufweist, der auf die optische Anordnung bzw. diesen Bereich auftreffende Strahlung in zumindest einen ersten Fokus fokussiert. Unter einem refraktiven Fresnellinsenbereich wird hier ein Bereich verstanden, der als refraktive Fresnellinse ausgestaltet ist und wirkt. In dem Bereich sind also eine Vielzahl von Prismen angeordnet, die Licht aufgrund von Refraktion bzw. Lichtbrechung ablenken und hierdurch auf einen für den entsprechenden Bereich gemeinsamen Fokus fokussieren.
Bevorzugt wird unter Strahlung im Sinne der Anmeldung Solarstrahlung (UV, sichtbar, nahes Infrarot), besonders bevorzugt Solarstrahlung in dem für Solarzellen verwertbaren Spektralbereich, verstanden (dieser kann für unterschiedliche Solarzellen(-typen) stark variieren).
Erfindungsgemäß weist die optische Anordnung weiter zumindest einen in der Linsenbezugsfläche oder Linsenebene angeordneten Linsenbereich zweiter Art, vorzugsweise einen TIR-Fresnellinsenbereich, auf, der auf die optische Anordnung bzw. auf diesen Bereich auftreffende Strahlung in den gleichen (den ersten) Fokus fokussiert wie der oben genannte refraktive Fresnellinsenbereich. Unter einem TIR-Fresnellinsenbereich wird hier, wie bereits oben beschrieben, ein Bereich verstanden, auf dem eine Vielzahl von Prismen derart angeordnet ist, dass auf den Bereich auftreffendes Licht in einem Winkel auf diese Prismen fällt, so dass die Strahlung im Inneren der Prismen totalreflektiert wird, beim Austritt in der Regel zusätzlich gebrochen wird und auf diese Weise in Richtung des Fokus des Bereiches abgelenkt wird. Wiederum lenken alle Prismen des entsprechenden TIR-Fresnellinsenbereiches die Strahlung auf den gleichen Fokus ab. Erfindungsgemäß ist der TIR-Fresnellinsenbereich mit einem Abstand bzw. einer Distanz beabstandet vom refraktiven Fresnellinsenbereich, der in den gleichen Fokus fokussiert. Zwischen den beiden Bereichen besteht also ein Zwischenbereich. Damit ist erfindungsgemäß eine Anordnung bereitgestellt, die Licht auf einen Fokus konzentriert und dabei einen Linsenbereich vermeidet, in dem vergleichsweise hohe Verluste auftreten würden. Dieser vermiedene Bereich entspricht der Beabstandung der beiden fokussierenden Linsenbereiche.
Im Folgenden soll die Erfindung mit refraktiven Fresnellinsenbereichen als Linsenbereichen erster Art und TIR-Fresnellinsenbereichen als Linsenbereichen zweiter Art beschrieben werden. Hier sind also als bevorzugte Ausführungsform alle Linsenbereiche erster Art Fresnellinsenbereiche und alle Linsenbereiche zweiter Art TIR-Fresnellinsenbereiche. Die genannten Ausführungen können aber unmittelbar auf Linsenbereiche anderer Art übertragen werden.
Der refraktive Fresnellinsenbereich ist erfindungsgemäß unmittelbar um eine senkrechte Projektion (in Richtung der optischen Achse des refraktiven Fresnellinsenbereiches) des Fokus auf die Linsenebene angeordnet, auf welchen dieser refraktive Fresnellinsenbereich fokussiert. Das bedeutet, dass die Projektion des Fokus (durch die auch die optische Achse tritt) im Bereich dieser refraktiven Fresnellinse liegt und die refraktive Fresnellinse diese Projektion des Fokus umgibt. Sofern der Fokus im Wesentlichen punktförmig ist, ist die senkrechte Projektion gerade jener Punkt, an welchem die optische Achse der refraktiven Fresnellinse die Linsenebene durchstößt. Bei anderer Ausformung des Fokus/Brennfleckes liegt der Punkt in der Mitte des Brennfleckes.
Vorzugsweise ist benachbart zu diesem refraktiven Fresnellinsenbereich im Zwischenbereich zwischen refraktivem und TIR-Linsenbereich zumindest ein einem zweiten Fokus zugeordneter Linsenbereich angeordnet, welcher also die Strahlung auf einen anderen Fokus als jenen des refraktiven Fresnellinsenbereiches fokussiert. Dieser einem anderen Fokus zugeordnete Linsenbereich kann ein TIR-Linsenbereich oder auch ein refraktiver Linsenbereich sein. Bevorzugt handelt es sich jedoch um einen TIR-Linsenbereich.
Im Zwischenbereich können auch optisch inaktive Elemente wie z. B. Stützen untergebracht sein.
In einer Ausführungsform kann jener TIR-Fresnellinsenbereich, welcher die Strahlung auf den gleichen Ort (den ersten Fokus) fokussiert, wie der zugehörige refraktive Fresnellinsenbereich, nun über den Abstand beabstandet vom entsprechenden refraktiven Fresnellinsenbereich angeordnet sein. Wenn ein einem weiteren (zweiten) Fokus zugerodneter TIR-Fresnellinsenbereich vorgesehen ist, ist er bevorzugt außerdem in diesem Abstand angeordnet. Vorzugsweise grenzen der dem ersten Fokus zugeordnete refraktive Fresnellinsenbereich, jener dem weiteren Fokus zugeordnete TIR-Fresnellinsenbereich und der dem ersten Fokus zugeordnete TIR-Fresnellinsenbereich unmittelbar aneinander, wobei jedoch der refraktive Fresnellinsenbereich und der dem gleichen Fokus zugeordnete TIR-Fresnellinsenbereich nicht unmittelbar aneinander grenzen, weil zwischen ihnen jener dem anderen Fokus zugeordnete TIR-Fresnellinsenbereich angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung der refraktiven und der TIR-Fresnellinsenbereiche löst das oben genannte Problem. Es fokussiert nämlich hier der refraktive Fresnellinsenbereich in einem Bereich, welcher nahe der optischen Achse liegt, wobei davon ausgegangen wird, dass der Fokus auf der optischen Achse liegt. Es ist dies vorzugsweise jener Bereich, in dem Ablenkung von Strahlung in den Fokus mittels refraktiven Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist (Bereich A in 1). Jener dem gleichen Fokus zugeordnete TIR-Fresnellinsenbereich ist nun vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) gerade so weit von der optischen Achse entfernt, dass die Verluste gering sind bzw. die gleiche Verlust-Obergrenze aufweisen wie der Bereich A, was z. B. dem in 1 gezeigten Bereich B entspricht. In jenem Abstand von der optischen Achse, in welchem sowohl bei Fokussierung durch refraktive Fresnellinsen, wie durch TIR-Fresnellinsen die Verluste hoch wären, wird vorzugsweise durch keine der dem entsprechenden Fokus zugeordneten Fresnellinsen in diesen Fokus fokussiert. Die in diesem Bereich auftreffende Strahlung kann bevorzugt in einen anderen (z. B. zweiten) Fokus fokussiert werden, welcher auf einer anderen optischen Achse liegt. Dieser dem weiteren (zweiten) Fokus zugeordnete TIR-Fresnellinsenbereich ist hierbei vorzugsweise von einer optischen Achse, auf welcher der zweite Fokus liegt, gerade so weit entfernt, dass die durch TIR-Fresnellinsen abgelenkte Strahlung mit möglichst geringem Verlust ablenkbar ist. Es kann also die gesamte Oberfläche bzw. Apertur der optischen Anordnung zum Lichtsammeln benutzt werden, wobei aber in keinem Bereich Strahlung in einem Winkel abgelenkt werden muss, welcher sowohl bei refraktiven Fresnellinsen, wie auch bei TIR-Fresnellinsen zu hohen Verlusten führen würde.
Vorzugsweise ist der weitere (zweite) Fokus, in welchen der zwischen dem refraktiven Fresnellinsenbereich und dem auf den gleichen Fokus fokussierenden TIR-Fresnellinsenbereich liegende TIR-Fresnellinsenbereich fokussiert, gleichzeitig der Fokus eines weiteren (z. B. zweiten) refraktiven Fresnellinsenbereiches, der unmittelbar um eine senkrechte Projektion dieses zweiten Fokus auf die Linsenebene angeordnet ist und der jenem dem ersten zuvor beschriebenen Fokus zugeordneten TIR-Fresnellinsenbereich benachbart, angeordnet ist.
Falls im Zwischenbereich der beiden dem ersten Fokus zugeordneten Linsenbereiche ein refraktiver Linsenbereich angeordnet ist, ist der Fokus dieses refraktiven Linsenbereiches 2 vorzugsweise auch Fokus eines zweiten TIR-Linsenbereiches.
Der zweite dem zweiten Fokus zugeordnete Linsenbereich ist erfindungsgemäß beabstandet vom ersten dem zweiten Fokus zugeordneten Linsenbereich, um wiederum die Verluste zu minimieren indem die hohen Verluste im Zwischenbereich vermieden werden.
Unter der optischen Achse wird hier die optische Achse des refraktiven Fresnellinsenbereiches verstanden, die vorzugsweise senkrecht auf der Linsenebene steht und durch den Fokus des entsprechenden refraktiven Fresnellinsenbereiches verläuft. Die senkrechte Projektion des Fokus auf die Linsenebene ist also gerade jener Punkt, an welchem die optische Achse die Linsenebene durchstößt.
Es soll, sofern nicht anders gesagt, allgemein „Abstand zur optischen Achse” gleichbedeutend mit „Abstand von einer Projektion des Fokus auf die Linsenbezugsfläche” verwendet werden.
Nimmt man nun an, dass es für jeden Fokus einen Abstandsbereich zu der diesem Fokus entsprechenden optischen Achse in der Linsenebene gibt, in welchem weder durch refraktive Fresnellinsen, noch durch TIR-Fresnellinsen eine Ablenkung von Strahlung in diesen Fokus mit nur geringen Verlusten möglich ist, so kann bevorzugt durch diese Anordnung erreicht werden, dass Licht aus den Bereichen hoher Verluste eines Fokus nicht abgelenkt wird oder in einen benachbarten Fokus abgelenkt wird, für den dieser Bereich einen Abstand von der ihm entsprechenden optischen Achse hat, aus welchem durch TIR-Fresnellinsen Licht mit geringen Verlusten ablenkbar ist.
Prinzipiell wird vorzugsweise für eine gegebene Anordnung von Fokuspunkten für jeden Punkt auf der Linsenplatte der Fokuspunkt und das Fokussierungsverfahren (refraktiv/TIR) ausgewählt, das die geringsten Verluste verspricht. Anschließend kann die Pakettierung so vereinfacht werden, dass sie fertigungstechnisch sinnvoll ist.
Mögliche Werte können beispielsweise folgende sein:
Vorzugsweise wird der refraktive Bereich Öffnungsverhältnisse ≤ 1,5, vorzugsweise ≤ 1 (Lichtablenkung 26,6° zur optischen Achse) und ein Öffnungsverhältnis von ≥ 0,4, vorzugsweise ≥ 0,6 (16,7°) haben. Der TIR-Bereich hat vorzugsweise Öffnungsverhältnisse von ≤ 2,2, vorzugsweise ≤ 2 (Ablenkwinkel 45°). Die Grenze zwischen den TIR-Bereichen für unterschiedliche Foki liegt vorzugsweise bei Öffnungsverhältnissen ≥ 1, vorzugsweise ≥ 1,2 und ≤ 1,7, vorzugsweise ≤ 1,5 (Ablenkwinkel 31° und 37°). Insbesondere bei rechteckigen Strukturen können die Grenzen aber z. B. in den Ecken über- oder in der Seitenmitte auch unterschritten werden.
Die Grenzen werden vorzugsweise durch optische Verluste an der strukturierten Linsenseite von ≥ 5%, vorzugsweise ≥ 8% und ≤ 15%, vorzugsweise ≤ 12% bei senkrechtem Lichteinfall und fehlerfreier Fresnelstruktur definiert.
Es kann bevorzugt (muss aber nicht) für beide Fresnellinsenbereiche eines Fokus (A und B) dieselbe Verlust-Obergrenze gewählt werden (wie in 1 exemplarisch dargestellt). Es sind auch Gründe denkbar (unterschiedliche Empfindlichkeiten/Toleranzen der beiden Bereiche gegenüber anderen, in Modulen auftretenden Störeffekten), unterschiedliche Obergrenzen zu wählen.
Es ist bevorzugt, wenn einer, mehrere oder alle der refraktiven Fresnellinsenbereiche, besonders bevorzugt alle jene refraktiven Fresnellinsenbereiche, welche nicht am Rand der optischen Anordnung liegen, von einer Mehrzahl von TIR-Fresnellinsenbereichen umgeben sind, die dem refraktiven Fresnellinsenbereich entsprechenden Fokus zugeordnet sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass Licht, welches in jenem Abstandsbereich von der optischen Achse einfällt, in welchem Fokussierung auf den entsprechenden Fokus durch TIR-Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist, möglichst vollständig auf den entsprechenden Fokus abgelenkt wird. Besonders bevorzugt findet sich in jeder Richtung ausgehend von der optischen Achse des entsprechenden refraktiven Fresnellinsenbereiches eine entsprechende TIR-Fresnellinse.
Es sind verschiedene Anordnungen der Fresnellinsenbereiche möglich. In einer Anordnung können die Fresnellinsenbereiche als parallel zueinander verlaufende Streifen ausgebildet sein, die in einer Richtung nebeneinander angeordnet sind. Vorzugsweise haben diese streifenförmigen Fresnellinsenbereiche linienförmige Foki. Refraktive Fresnellinsenbereiche liegen hierbei über den Fokuslinien derart, dass eine senkrechte Projektion der Fokuslinien auf die Linsenebene (bzw. Projektion in Richtung der optischen Achse) im Bereich der refraktiven Fresnellinse, vorzugsweise in dessen Mitte, liegt. Die optische Achse schneidet die Fokuslinie. Ein auf einer Seite oder beiderseits dem refraktiven Fresnellinsenbereich benachbarter Streifen ist dann ein Abstand oder Zwischenbereich, in dem z. B. mechanische Halterungen angeordnet sein können, oder ein Linsenbereich, der auf eine andere Fokuslinie als jene des besagten refraktiven Fresnellinsenbereiches fokussiert. Auf jener dem genannten refraktiven Fresnellinsenbereich abgewandten Seite dieses Abstandes oder des dem anderen Fokus zugeordneten Linsenbereiches ist nun ein weiterer TIR-Fresnellinsenbereich angeordnet, welcher in den gleichen Fokus fokussiert, wie besagter refraktiver Fresnellinsenbereich. Benachbart zu diesem Streifen kann dann ein weiterer Linsenbereich angeordnet sein, welcher in jenen Fokus fokussiert, in welchen auch der oben genannte Linsenbereich fokussiert, welcher nicht in den ersten Fokus fokussiert.
Sowohl die TIR-Frensellinsenbereich wie auch die Abstandsbereiche können Anordnungen mehrerer entsprechender Teilbereiche sein. Die TIR-Teilbereiche fokussieren dann bevorzugt auf denselben Fokus. Es kann z. B. bei linearen Anordnungen jeweils rechts und links der optischen Achse ein Teilbereich angeordnet sein. Bei flächigen Anordnungen können Teilbereiche rechts, links, oberhalb und unterhalb der optischen Achse angeordnet sein. Auch andere Anordnungen, symmetrisch oder auch unsymmetrisch, sind möglich.
In einer anderen vorzugsweisen Ausgestaltung können die refraktiven Fresnellinsenbereiche (und damit auch die Foki) in einem rechteckigen, vorzugsweise äquidistanten Gitter angeordnet sein, so dass sich eine Art Parkettmuster ergibt. Zwischen den refraktiven Fresnellinsenbereichen bestehen hierbei Abstände, in welchen die TIR-Fresnellinsenbereiche vorliegen. Vorzugsweise sind hierbei die refraktiven Fresnellinsenbereiche rechteckig oder quadratisch.
Besonders wenn die refraktiven Fresnellinsenbereiche in einer solchen Gitteranordnung rechteckig oder quadratisch sind, ist es bevorzugt, wenn die TIR-Fresnellinsenbereiche als symmetrische Trapeze in der Linsenebene ausgebildet sind. Ein symmetrisches Trapez hat hierbei zwei parallele Seiten, von denen eine kürzer und eine länger ist, wobei die Enden der Seiten durch die beiden anderen Seiten des Trapezes verbunden sind. Das Trapez ist symmetrisch zu einer Achse, welche die kürzere und die längere der parallelen Seiten jeweils in deren Mitte schneidet.
Sind die TIR-Fresnellinsenbereiche als symmetrische Trapeze ausgebildet, so hat vorzugsweise deren kürzere parallele Seite die gleiche Länge wie die angrenzende Seite des refraktiven Fresnellinsenbereiches, an welchen dieser TIR-Fresnellinsenbereich angrenzt. Die kürzere Seite des TIR-Fresnellinsenbereiches und des refraktiven Fresnellinsenbereiches liegen hierbei also auf gleicher Länge genau nebeneinander parallel zueinander. Entsprechend hat die längere Seite des TIR-Fresnellinsenbereiches die gleiche Länge wie die längere parallele Seite eines angrenzenden TIR-Fresnellinsenbereiches. Wiederum liegen vorzugsweise die längeren Seiten der beiden benachbarten TIR-Fresnellinsenbereiche parallel zueinander und unmittelbar benachbart nebeneinander. Durch eine solche Anordnung entsteht ein Muster von Fresnellinsenbereichen, in welchen die längeren parallelen Seiten der TIR-Fresnellinsenbereiche jeweils die Seiten von Rechtecken oder Quadraten bilden. Diese Rechtecke oder Quadrate sind dann entlang dem genannten Gitter aneinander angrenzend nebeneinander angeordnet. Wie oben dargelegt, können TIR-Fresnellinsenbereiche auch durch Zwischenbereiche oder Abstände ersetzt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung können jeweils vier oder auch mehr rechteckige oder quadratische refraktive Fresnellinsenbereiche in quadratischen oder rechteckigen Anordnungen gruppiert sein. Jeder dieser Fresnellinsenbereiche hat einen eigenen Fokus. Die Gruppen von den refraktiven Fresnellinsenbereichen sind beabstandet zueinander, vorzugsweise auf einem rechteckigen, besonders bevorzugt äquidistanten Gitter, angeordnet. Zwischen den Gruppen von refraktiven Fresnellinsenbereichen sind dann die TIR-Fresnellinsenbereiche angeordnet. Besteht eine Gruppe von refraktiven Fresnellinsenbereichen aus vier quadratischen oder rechteckigen refraktiven Fresnellinsenbereichen, so können die zwischen diesen Gruppen angeordneten TIR-Fresnellinsenbereiche als symmetrische Trapeze ausgestaltet sein, wobei die Symmetrieachse jeweils eine Verlängerung der aneinander grenzenden Seiten der refraktiven Fresnellinsen in der Gruppe der refraktiven Fresnellinsen ist. Mit einer solchen Anordnung lässt sich ein Rand der optischen Anordnung besonders vorteilhaft ausgestalten, da an diesem dann Gruppen von refraktiven Fresnellinsen mit nur zwei refraktiven Fresnellinsenbereichen gebildet werden und die in Richtung parallel zum Rand angrenzenden TIR-Fresnellinsenbereiche als halbe symmetrische Trapeze ausgestaltet sind, die an der Symmetrieachse begrenzt sind.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung besteht darin, die refraktiven Fresnellinsenbereiche als gleichseitige Sechsecke oder Achtecke auszugestalten, die unmittelbar aneinander grenzen. So haben beispielsweise Achtecke, welche nicht am Rand liegen, vier benachbarte achteckige refraktive Fresnellinsenbereiche, an welche sie jeweils mit einer Seite unmittelbar angrenzen. Zwischen jenen Seiten der Achtecke, an welchen keine anderen refraktiven Fresnellinsenbereiche unmittelbar angrenzen, entstehen hierbei vorzugsweise quadratische Bereiche. Bevorzugt sind in diesen die TIR-Fresnellinsenbereiche angeordnet, wobei das oben beschriebene Anordnungsverhältnis zueinander bestehen bleibt. Eine TIR-Fresnellinse, welche auf einen Fokus eines refraktiven Fresnellinsenbereiches fokussiert, ist also diesem nicht unmittelbar benachbart angeordnet, sondern von diesem durch einen Abstand, Zwischenbereich oder zumindest einen anderen TIR-Fresnellinsenbereich getrennt, der in einen anderen Fokus fokussiert.
Insbesondere in dem Fall, dass die refraktiven Fresnellinsenbereiche gitterförmig angeordnet sind, gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Rand dieser gitterförmigen Anordnung zu gestalten. Zum einen besteht die Möglichkeit, den Rand mit refraktiven Fresnellinsenbereichen zu bilden, welche unmittelbar an die refraktiven Fresnellinsenbereiche grenzen, die das Gitter bilden. Die refraktiven Fresnellinsenbereiche des Randes sind hierbei zwar in einem für die Fokussierung durch refraktive Fresnellinsen ungünstigen Bereich angeordnet, da der Rand jedoch nur einen geringen Teil der Oberfläche der optischen Anordnung ausmacht, sind die hierbei auftretenden Verluste vertretbar. Die verringerte Effizienz am Rand kann durch geeignete elektrische Verschaltung der Solarzellen gesondert berücksichtigt werden, wenn dies notwendig ist.
Möglich ist es aber auch, die Randbereiche so zu unterteilen, dass der Abstand der TIR-Fresnellinsen zur optischen Achse der refraktiven Fresnellinsenbereiche gerade so groß ist, dass sie wie oben beschrieben nicht im verlustreichen Bereich liegt. Eine solche Anordnung ist besonders günstig realisierbar, wenn die refraktiven Fresnellinsenbereiche die oben beschriebene achteckige Form haben. In diesem Fall definieren die Seiten der äußersten refraktiven Fresnellinsenbereiche des Gitters den Rand der optischen Anordnung. Zwischen jenen den äußersten Rand der Anordnung abgrenzenden Seiten der Achtecke entstehen hierbei dreieckige Bereiche, in welchen die refraktiven Fresnellinsenbereiche nicht vorliegen. In diesen freien Bereichen kann in einer Hälfte eine TIR-Fresnellinse angeordnet sein, welche an einen refraktiven Fresnellinsenbereich angrenzt und in den dem zu diesem benachbarten refraktiven Fresnellinsenbereich entsprechenden Fokus fokussiert. Von diesem benachbarten refraktiven Fresnellinsenbereich ist sie jedoch durch einen weiteren TIR-Fresnellinsenbereich getrennt, welcher in den Fokus der refraktiven Fresnellinse fokussiert, zu der sie benachbart ist.
Die genannten Fresnellinsenbereiche können die optische Anordnung bzw. eine durch den äußeren Rand der Fresnellinsen begrenzte Apertur vollständig bedecken. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die Fresnellinsenbereiche die Fläche der Apertur vollständig bedecken. Es können innerhalb der Fläche der Apertur auch beispielsweise Stützen zum Stützen der Linsen oder der optischen Anordnung, Streben und/oder Verbindungen sowie weitere statisch-mechanische Elemente des Moduls angeordnet sein. Es können hier auch beispielsweise Bereiche zur weiteren optischen Führung oder Absorption von Strahlung bei beispielsweise Cassagrain-Optiken angeordnet sein.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Solarzellen-Konzentratormodul angegeben, welches eine optische Anordnung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, aufweist. Hierbei ist in den Foki der refraktiven Fresnellinsenbereiche jeweils zumindest eine Solarzelle angeordnet, auf welche durch die optische Anordnung Strahlung konzentriert wird. Vorzugsweise sind die Solarzellen photovoltaische Elemente, wie beispielsweise Siliziumsolarzellen oder Stapelsolarzellen (Mehrfachsolarzellen).
Die Erfindung ermöglicht eine optische Anordnung mit geringeren optischen Verlusten bei großen Öffnungsverhältnissen im Falle konzentrierender Optiken, verglichen mit Linsen, die ausschließlich aus „Standard”-Prismen, also refraktiven Fresnellinsen, bestehen, und auch mit Linsen, die ausschließlich aus TIR-Fresnellinsen bestehen, aber auch im Verhältnis zu Linsen, bei denen Bereiche verschiedener Designtypen bzw. Funktionstypen, die in einen gleichen Fokus fokussieren, unmittelbar aneinander grenzen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen bedeuten hierbei gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigt
1 Verluste bei der Ablenkung von Strahlung durch refraktive Fresnellinsen einerseits und TIR-Fresnellinsen andererseits (schematisch);
2 eine einfache Realisierung einer optischen Anordnung der Erfindung (schematisch);
3 eine weitere einfache Realisierung einer optischen Anordnung entsprechend der Erfindung (schematisch);
4 einen Schlüssel der in 5, 6, 7 und 8 verwendeten Schraffuren;
5 eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit streifenförmigen Fresnellinsen;
6 eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit auf einem Gitter angeordneten refraktiven Fresnellinsen;
7 eine optische Anordnung mit quadratischen Gruppen von Fresnellinsen; und
8 eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit achteckigen, auf einem Gitter angeordneten refraktiven Fresnellinsen.
2 zeigt eine erste einfache Realisierung einer optischen Anordnung gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Die 2 zeigt zuunterst eine Seitenansicht der Anordnung, darüber eine Aufsicht und zuoberst eine Kennzeichnung der Bereiche entsprechend 1. Die Anordnung weist einen refraktiven Fresnellinsenbereich 1 sowie einen TIR-Fresnellinsenbereich 2 auf, die über einen Abstand 5 bzw. Zwischenbereich 5 voneinander beabstandet sind. Wie an der Kennzeichnung der Bereiche im oberen Teil der Figur zu erkennen ist, befindet sich der refraktive Fresnellinsenbereich 1 direkt über dem Fokus 3 des refraktiven Fresnellinsenbereiches 1 im Bereich A, in welchem Ablenkung mittels refraktiven Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist. Der TIR-Fresnellinsenbereich 2 befindet sich im Bereich B, in welchem Ablenkung mittels TIR-Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist. Im Bereich C, in welchem sowohl eine Ablenkung mittels refraktiven Fresnellinsen wie auch mit TIR-Fresnellinsen zu hohen Verlusten führt, befindet sich der Abstand 5 bzw. Zwischenbereich 5.
3 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße optische Anordnung in einer einfachen Ausführungsform. Dabei zeigt das obere Teilbild eine Aufsicht, während das untere Teilbild eine Seitenansicht zeigt. Bei der gezeigten Anordnung sind vier streifenförmige Fresnellinsen 1a, 2b, 2a, 1b mit paralleler Längsrichtung nebeneinander angeordnet. Zwei der Fresnellinsen 1a und 1b sind hierbei refraktive Fresnellinsen, während die anderen beiden Fresnellinsen 2b und 2a TIR-Fresnellinsen sind. Die refraktive Fresnellinse 1a fokussiert auf sie eintreffendes Licht im Fokus 3a, während die refraktive Fresnellinse 1b eintreffende Strahlung in den Fokus 3b fokussiert. Der Verlauf der Strahlung ist hierbei durch den Strahlenverlauf 4 angedeutet. Die TIR-Fresnellinse 2b ist nun der refraktiven Fresnellinse 1a unmittelbar benachbart angeordnet und fokussiert auf sie eintreffende Strahlung in den Fokus 3b, also in einen anderen Fokus als die ihr benachbarte refraktive Fresnellinse 1a. Die TIR-Fresnellinse 2a, welche von der refraktiven Fresnellinse 1a durch die TIR-Fresnellinse 2b getrennt ist, fokussiert auf sie eintreffendes Licht in den gleichen Fokus 3a wie die refraktive Fresnellinse 1a. Die refraktive Fresnellinse 1b fokussiert Licht, das auf sie eintrifft, in den Fokus 3b, in welchen auch die TIR-Fresnellinse 2b fokussiert. Der Fokus 3a ist hierbei so angeordnet, dass seine senkrechte Projektion auf die Linsenebene, in welcher die Fresnellinsen 1a, 2b, 2a und 1b angeordnet sind, in den Bereich der refraktiven Fresnellinse 1a fällt. Entsprechend ist Fokus 3b so angeordnet, dass seine senkrechte Projektion auf die Linsenebene in den Bereich der refraktiven Fresnellinse 1b fällt. Zu jedem der beiden Foki 3a und 3b gibt es Abstände von einer optischen Achse, auf welcher die Foki jeweils liegen und welche die Fresnellinse 1a bzw. 1b durchstößt, in welchen durch eine refraktive Fresnellinse mit geringen Verlusten abgelenkt werden kann, in welchen mit TIR-Fresnellinsen mit geringen Verlusten abgelenkt werden kann, sowie einen Bereich zwischen diesen Bereichen, in welchem bei der Ablenkung von Strahlung mit beiden Linsentypen erhöhte Verluste auftreten. Die refraktiven Fresnellinsen 1a und 1b sind in solchen Abständen von der jeweiligen optischen Achse, auf welcher der entsprechende Fokus 3a bzw. 3b liegt, oder in solchen Abständen von der Projektion des entsprechenden Fokus 3a bzw. 3b auf die Linsenebene angeordnet, dass Lichtablenkung mit refraktiven Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist, also in jenem Bereich, der in 1 dem Bereich A entspricht. Entsprechend ist die dem Fokus 3a zugeordnete TIR-Linse 2a, die in den Fokus 3a fokussiert in einem Abstand zur optischen Achse angeordnet, in welchem eine Ablenkung mit TIR-Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist, also jenem in 1 mit B gekennzeichneten Bereich. Für den Fokus 3b gilt entsprechendes, wobei in den Abständen von der optischen Achse, in welchen mit refraktiven Fresnellinsen mit geringen Verlusten abgelenkt werden kann (Bereich B in 1), die refraktive Fresnellinse 1b angeordnet ist und in jenem Bereich, in welchem mit TIR-Fresnellinsen mit geringen Verlusten abgelenkt werden kann (Bereich B in 1) die TIR-Linse 2b.
In jenem Abstand von der optischen Achse bzw. der Position des Fokus 3a auf die Linsenebene, in welchem weder mit refraktiven noch mit TIR-Fresnellinsen eine Ablenkung mit geringen Verlusten möglich ist (Bereich C in 1), ist die jeweils dem anderen Fokus zugeordnete TIR-Fresnellinse 2b angeordnet. In entsprechendem Abstand von der optischen Achse des Fokus 3b bzw. seiner Position auf die Linsenebene ist die Fresnellinse 2a angeordnet, die dem Fokus 3a zugeordnet ist.
4 zeigt eine Legende der Schraffuren, die in den folgenden 5, 6, 7 und 8 verwendet werden. Jene gleichen Foki zugeordneten refraktiven und TIR-Fresnellinsen sind mit entsprechenden Schraffuren gekennzeichnet, wobei die refraktiven Fresnellinsen weiter schraffiert sind als die TIR-Fresnellinsen.
5 zeigt zwei Beispiele, wie eine optische Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung mit streifenförmigen Fresnellinsen realisiert sein kann. In beiden Fällen sind die streifenförmigen Fresnellinsen mit parallelen Längsrichtungen aneinander angrenzend nebeneinander angeordnet.
In 5A sind 4 Fokuslinien 3a, 3b, 3c und 3d gezeigt, auf welche ihnen zugeordneten Fresnellinsen fokussieren. Refraktive Fresnellinsen 1a, 1b, 1c und 1d sind hierbei so über den entsprechenden Foki angeordnet, dass die senkrechte Projektion der entsprechenden Foki auf eine Linsenebene, in welcher die Fresnellinsen angeordnet sind, gerade in die Mitte der entsprechenden refraktiven Fresnellinsen 1a, 1b, 1c, 1d fällt und mit ihrer Längsrichtung parallel zur Längsrichtung dieser Fresnellinsen verläuft. Die TIR-Fresnellinsenbereiche sind wie schon in 2 gezeigt angeordnet. So ist beispielsweise eine TIR-Linse 2a dem Fokus 3a zugeordnet und fokussiert auf sie einfallende Strahlung in diesen Fokus. Entsprechend ist zwischen der refraktiven Fresnellinse 1a und der TIR-Fresnellinse 2a, die dem Fokus 3b zugeordnete Fresnellinse 2b angeordnet, die auf den Fokus 3b fokussiert, auf welchen auch die refraktive Fresnellinse 1b fokussiert.
Im in 5A gezeigten Beispiel wird Licht, welches auf die optische Anordnung eintrifft, über die gesamte Fläche der Anordnung auf die Fokuslinien 1a, 1b, 1c, 1d fokussiert. Hierzu sind jedoch in der Mitte der Anordnung die refraktiven Fresnellinsen 1b und 1c unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet, ohne dass zwischen ihnen eine TIR-Fresnellinse angeordnet ist. Durch TIR-Fresnellinsen wird auf die entsprechenden Foki 3b und 3c nur von jeweils einer Seite Licht eingestrahlt.
Die Gesamtbreite der in 5A gezeigten Anordnung beträgt beispielhaft 12 Mal die Breite einer der TIR-Fresnellinsen. Es existieren vier Foki 3a, 3b, 3c und 3d. Jedem Fokus ist also eine Teilfläche der Gesamtfläche mit einer Gesamtbreite von 3 TIR-Linsenbereichen zugeordnet. Auf jeden Fokus wird also in der in 5A gezeigten Anordnung durch eine refraktive Fresnellinse mit doppelter Breite der TIR-Linsen sowie durch eine TIR-Linse fokussiert.
Die in 5B gezeigte Anordnung entspricht der in 5A gezeigten. Sie unterscheidet sich jedoch dadurch, dass in 5B keine zwei refraktiven Fresnellinsen unmittelbar benachbart zueinander liegen. Die in 5B gezeigte Anordnung hat auch nur drei Foki 3a, 3b und 3c, wobei nicht wie in 5A auf jeden Fokus nur mit einer TIR-Fresnellinse fokussiert wird. In den Fokus 3a wird mit einer TIR-Fresnellinse 1a fokussiert, in den Fokus 3b jedoch über zwei TIR-Fresnellinsen 2b und in die Fokuslinie 3c über zwei Fresnellinsen 2c. Der TIR-Fresnellinsenbereich 2d ist keinem der gezeigten Foki zugeordnet, die Anordnung ließe sich jedoch periodisch fortsetzen, wodurch ein Fokus vorhanden wäre, dem der Fresnellinsenbereich 2d zugeordnet werden kann. Unter Inkaufnahme der etwas höheren Verluste könnte der Fresnellinsenbereich 2d jedoch auch so ausgestaltet werden, dass er beispielsweise in den Fokus 3c fokussiert.
6 zeigt eine optische Anordnung mit quadratischen refraktiven Fresnellinsen 1a, 1b, 1c, 1d, die auf einem rechtwinkligen äquidistanten Gitter angeordnet sind. Jede der refraktiven Fresnellinsen 1a, 1b, 1c, 1d ist durch TIR-Fresnellinsen 2a bis 2d umgeben, die die Form symmetrischer Trapeze haben. Dabei grenzt die kürzere der parallelen Seite der TIR-Fresnellinsenbereiche 2a bis 2d an eine Seite der quadratischen refraktiven Fresnellinsenbereiche 1a bis 1d, während die längere der parallelen Seiten der TIR-Fresnellinsenbereiche 2a bis 2d an eine längere parallele Seite einer benachbarten TIR-Fresnellinse 2a bis 2d grenzt. Am Rand der Anordnung wird von dieser Anordnungsregel abgewichen, indem an jenen Seiten der quadratischen refraktiven Fresnellinsenbereiche 1a, 1b und 1c ebenfalls refraktive Fresnellinsenbereiche 5a, 5b und 5c angeordnet sind, die so geformt sind, dass sich ein gerader Rand ergibt. Im gezeigten Beispiel ist daher nur die refraktive Fresnellinse 1d vollständig von TIR-Fresnellinsen 2c, 2b und zwei weiteren TIR-Fresnellinsen umgeben.
Wiederum ist um jenen Bereich um die optische Achse, der in 1 dem Bereich A entspricht, also dem Bereich, in welchem Ablenkung mittels refraktiver Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist, eine refraktive Fresnellinse 1a, 1b, 1c, 1d angeordnet. In jenen Bereichen, in welchen Ablenkung mittels TIR-Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist (Bereich B in 1) sind um die Foki 3a bis 3d TIR-Fresnellinsenbereiche 2a bis 2d angeordnet. Zwischen den einem Fokus zugeordneten refraktiven Fresnellinsenbereichen und TIR-Fresnellinsenbereichen sind TIR-Fresnellinsenbereiche angeordnet, die benachbarten Foki zugeordnet sind. Das gezeigte Gittermuster lässt sich nach rechts und nach unten beliebig weit fortsetzen. Ein Rand kann wie in der 6 für den oberen und den linken Rand gezeigt ausgestaltet sein.
7 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung. Hierbei sind wiederum refraktive Fresnellinsenbereiche 1a, 1b, 1c, 1d sowie die ihnen zugeordneten Foki 3a, 3b, 3c, 3d, deren Projektion auf die Linsenebene genau in der Mitte der entsprechenden refraktiven Fresnellinse 1a bis 1d liegt, in einer rechteckigen Anordnung angeordnet sind. Es sind hierbei jedoch jeweils vier, unterschiedlichen Foki zugeordnete refraktive Fresnellinsenbereiche mit ihren Seiten unmittelbar aneinander angrenzend so angeordnet, dass sie gemeinsam eine quadratische Fläche abdecken. Es bilden sich also Gruppen von je vier aneinander grenzenden refraktiven Fresnellinsenbereichen, die vier nebeneinander liegenden unterschiedlichen Foki zugeordnet sind. Die TIR-Fresnellinsenbereiche 2a bis 2d liegen wiederum zwischen refraktiven Fresnellinsenbereichen, anders als in 5 jedoch zwischen den Gruppen von jeweils vier refraktiven Fresnellinsenbereichen Entsprechend sind die TIR-Fresnellinsenbereiche 2a bis 2d auch nicht als symmetrische Trapeze ausgestaltet, sondern als Hälften symmetrischer Trapeze, die entlang der Symmetrieachse geteilt wurden. Die Hälften der symmetrischen Trapeze kommen neben jeweils einer der refraktiven Fresnellinsenbereiche einer Gruppe von Fresnellinsenbereichen zu liegen. Die entsprechende Seite der Gruppe von refraktiven Fresnellinsenbereichen wird ja durch zwei gleiche Hälften gebildet, die den Seiten der jeweils einem Fokus zugeordneten refraktiven Fresnellinsenbereiche entsprechen.
Mit der in 7 gezeigten Anordnung kann der Rand der Anordnung besonders einfach ausgestaltet werden, indem am Rand keine quadratische Gruppe von refraktiven Fresnellinsenbereichen gebildet wird, sondern eine rechteckige Gruppe von zwei nebeneinander liegenden quadratischen refraktiven Fresnellinsenbereichen. An den Ecken der Anordnung liegt dann nur ein refraktiver Fresnellinsenbereich 1a vor.
8 zeigt eine weitere mögliche Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Refraktive Fresnellinsenbereiche 1a, 1b, 1c und 1d sind hierbei als gleichseitige Achtecke ausgestaltet, die auf einem quadratischen äquidistanten Gitter angeordnet sind. Die refraktiven Fresnellinsenbereiche 1a, 1b, 1c und 1d grenzen über jeweils eine Seite unmittelbar aneinander an. Zwischen jeweils vieren der refraktiven Fresnellinsenbereiche 1a bis 1d bildet sich hierdurch ein quadratischer Zwischenraum. In diesem sind im vorliegenden Beispiel TIR-Fresnellinsenbereiche 2a, 2b, 2c und 2d angeordnet. Die refraktiven Fresnellinsenbereiche 1a bis 1d fokussieren auf Foki 3a bis 3d, deren senkrechte Projektion auf die Linsenebene in der Mitte des refraktiven Fresnellinsenbereiches liegt, welcher dem Fokus zugeordnet ist und Licht in ihn fokussiert.
Die TIR-Fresnellinsenbereiche 2a bis 2d sind nun so in den Freiräumen zwischen den refraktiven Fresnellinsenbereichen 1a bis 1d angeordnet, dass eine TIR-Fresnellinse 2a bis 2d nicht an die entsprechende refraktive Fresnellinse 1a bis 1d angrenzt, welche in den gleichen Fokus 3a bis 3d fokussiert. Die TIR-Fresnellinsenbereiche, welche in den Freiräumen zwischen vier refraktiven Fresnellinsenbereichen untergebracht sind, sind hierbei quadratisch und füllen gemeinsam den quadratischen Zwischenraum vollständig aus. An Stelle der in 8 gezeigten quadratischen TIR-Fresnellinsenbereiche 2a bis 2d kann der Zwischenraum zwischen den refraktiven Fresnellinsenbereichen auch mit dreieckigen TIR-Fresnellinsenbereichen vollständig ausgefüllt werden.
Durch die achteckige Form der refraktiven Fresnellinsenbereiche 1a bis 1d bilden sich am Rand der Anordnung dreieckige Einbuchtungen gegenüber einem gerade umlaufenden Rand, dessen Teil die äußeren Seiten der achteckigen refraktiven Bereiche 1a, 1b und 1c sind. Diese dreieckigen Einbuchtungen weisen nun jeweils zwei TIR-Fresnellinsen auf, die dreieckige Form haben und die dreieckige Einbuchtung symmetrisch unterteilen. Die TIR-Fresnellinsenbereiche sind hierbei so angeordnet, dass sie nicht benachbart zu jener refraktiven Fresnellinse 1a, 1b, 1c liegen, die in den gleichen Fokus 3a, 3b oder 3c fokussiert. So wird z. B. am oberen Rand zwischen den refraktiven Fresnellinsen 1a und 1b eine dreieckige Einbuchtung erzeugt, in welcher TIR-Fresnellinsen 2b und 2a angeordnet sind, die diese Einbuchtung symmetrisch unterteilen. Die TIR-Fresnellinse 2a ist hierbei benachbart zu der refraktiven Fresnellinse 1b angeordnet und die TIR-Fresnellinse 2b benachbart zu der refraktiven Fresnellinse 1a.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/152157 A1 [0004]

Claims

Optische Anordnung zur Konzentration von Strahlung mit zumindest einem in einer Linsenbezugsfläche angeordneten Linsenbereich erster Art, der einem ersten Fokus zugeordnet ist und der auf ihn auftreffende Strahlung in zumindest den ersten Fokus fokussiert, sowie zumindest einem in der Linsenbezugsfläche angeordneten, dem ersten Fokus zugeordneten Linsenbereich zweiter Art, der auf ihn auftreffende Strahlung in den ersten Fokus fokussiert, wobei der Linsenbereich zweiter Art vom Linsenbereich erster Art über einen Abstand beabstandet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest einen Linsenbereiche erster Art refraktive Fresnellinsenbereiche sind und dass die zumindest einen Linsenbereiche zweiter Art TIR-Fresnellinsenbereiche sind.
Optische Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest einen, einem zweiten, vom ersten verschiedenen, Fokus zugeordneten Linsenbereich, der auf ihn auftretende Strahlung in den zweiten Fokus fokussiert, wobei der zumindest eine dem zweiten Fokus zugeordnete Linsenbereich in dem Abstand zwischen dem Linsenbereich erster Art und jenem dem ersten Fokus zugeordneten Linsenbereich zweiter Art angeordnet ist.
Optische Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine, dem zweiten Fokus zugeordnete Linsenbereich ein Linsenbereich erster Art, zweiter Art oder ein TIR-Fresnellinsenbereich oder ein refraktiver Fresnellinsenbereich ist.
Optische Anordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen zweiten Linsenbereich erster Art, wobei der dem ersten Fokus zugeordnete Linsenbereich zweiter Art benachbart zu dem dem zweiten Fokus zugeordneten Linsenbereich erster Art angeordnet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem, mehreren oder allen Linsenbereichen erster Art die Projektion des diesem Linsenbereich jeweils zugeordneten Fokus senkrecht auf die Linsenbezugsfläche in den jeweiligen Linsenbereich erster Art fällt.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenbezugsfläche eine Linsenebene ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer, mehrere oder alle der Linsenbereiche erster Art von einer Mehrzahl von Linsenbereichen zweiter Art umgeben ist, die dem Fokus entsprechen, in welchen der entsprechende Linsenbereich erster Art fokussiert und die in diesen Fokus fokussieren und die über den Abstand von dem entsprechenden Linsenbereich erster Art beabstandet sind.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand in einem Winkelbereich zur optischen Achse des Linsenbereiches erster Art von ≤ 28°, vorzugsweise ≤ 31°, vorzugsweise ≤ 35°, vorzugsweise ≤ 37° und ≥ 26,6°, vorzugsweise ≥ 23°, vorzugsweise ≥ 20°, vorzugsweise ≥ 16,7° vorliegt.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Linsenbereich erster Art ein refraktiver Fresnellinsenbereich ist, der in einem Bereich um die senkrechte Projektion des Fokus, in den er fokussiert, auf die Linsenbezugsfläche angeordnet ist in welchem eine Ablenkung der auf ihn einfallenden Strahlung in den Fokus durch refraktive Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist, vorzugsweise in einem Winkelbereich um die optische Achse von ≤ 30°, vorzugsweise ≤ 26,6°, vorzugsweise ≤ 24° und/oder ≥ 16°, vorzugsweise ≥ 18°, vorzugsweise ≥ 20°, und dass die jeweils einem Fokus zugeordneten zumindest einen Linsenbereiche zweiter Art TIR-Fresnellinsenbereiche sind, die in einem Bereich um eine senkrechte Projektion dieses Fokus auf die Linsenbezugsfläche angeordnet sind, in welchem eine Ablenkung der auf sie einfallenden Strahlung in den entsprechenden Fokus durch TIR-Fresnellinsen mit geringen Verlusten möglich ist, vorzugsweise in einem Winkelbereich um die optische Achse des refraktiven Fresnellinsenbereiches von ≥ 29°, vorzugsweise ≥ 31°, vorzugsweise ≥ 33° und/oder ≤ 39°, vorzugsweise ≤ 37°, vorzugsweise ≤ 35°.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Obergrenze des auftretenden Verlusts für den Linsenbereich erster Art gleich einer Obergrenze des auftretenden Verlusts für den Linsenbereich zweiter Art ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung eine Mehrzahl von Linsenbereichen erster Art und Linsenbereichen zweiter Art aufweist, die so angeordnet sind, dass jene einem Fokus zugeordneten Linsenbereiche erster und zweiter Art sowie die entsprechenden Abstände in jene einem anderen Fokus zugeordneten durch eine Symmetrieoperation überführt werden können.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenbereiche erster Art, die Linsenbereiche zweiter Art und die Abstände so angeordnet sind, dass auf alle Foki die gleiche Strahlungsmenge konzentriert wird.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenbereiche erster Art als parallel nebeneinander angeordnete Streifen ausgebildet sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Linsenbereichen erster Art in einem rechtwinkligen, vorzugsweise äquidistanten Gitter angeordnet sind.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenbereiche erster Art rechteckig oder quadratisch sind.
Optische Anordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenbereiche zweiter Art als symmetrische Trapeze in der Linsenebene ausgebildet sind, deren kürzere parallele Seite die gleiche Länge hat, wie eine angrenzende Seite des entsprechenden Linsenbereiches erster Art und deren längere parallele Seite die gleiche Länge hat wie eine längere parallele Seite eines angrenzenden Linsenbereiches zweiter Art.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils vier der Linsenbereiche erster Art, die in unterschiedliche Foki fokussieren, zu einer Gruppe von Linsenbereichen erster Art unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind und die Linsenbereiche zweiter Art um die Gruppe herum, diese umgebend, angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Linsenbereiche erster Art rechteckig oder quadratisch sind, die Gruppen ebenfalls rechteckig oder quadratisch sind und die Linsenbereiche zweiter Art als halbe, entlang ihrer Symmetrieachse geteilte, symmetrische Trapeze ausgebildet sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenbereiche erster Art als gleichseitige Sechsecke oder gleichseitige Achtecke ausgestaltet sind, wobei die Linsenbereiche zweiter Art in Bereichen zwischen den Linsenbereichen erster Art ausgebildet sind.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rand der optischen Anordnung durch Linsenbereiche erster Art gebildet wird.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rand der optischen Anordnung durch einige der Linsenbereiche zweiter Art gebildet wird.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Stütze zum Stützen der Linsen oder einer die Linsen aufweisenden Linsenplatte und/oder zumindest einer Strebe und/oder Verbindung zum Halten der Linsenbereiche und/oder eine Vorrichtung zur weiteren Führung der Strahlung.
Optische Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stütze, Strebe, Verbindung und/oder Vorrichtung zur weiteren Strahlungsführung zwischen den Linsenbereichen oder in zumindest einem der Abstände angeordnet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Ränder der Anordnungen von Linsenbereichen eine Apertur definieren und dass die Fläche der Apertur vollständig von Linsenbereichen bedeckt ist.
Solarzellen-Konzentratormodul mit zumindest einer optischen Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie zumindest jeweils einer in einem Fokus der optischen Anordnung angeordneten Solarzelle.
Solarzellen-Konzentratormodul nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Mehrzahl von Solarzellen jeweils so gruppiert und elektrisch verschaltet sind, dass die Solarzellen in jeder Gruppe miteinander in Reihe verschaltet sind und bei homogener Beleuchtung des Solarzellen-Konzentratormoduls alle Solarzellen der jeweiligen Gruppe mit gleicher Intensität beleuchtet werden.