DE102010025676A1 - Prismatische Oberfläche mit optimiertem Lichtaustritt für Solarkonzentratoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Oberfläche die eine Verbesserung des Lichtaustrittes eines optischen Elementes, hier eines Solarkonzentrators, bewirkt. Gekennzeichnet durch prismatische Gliederung der Lichtaustrittsfläche. Diese Basisstruktur (10) wird durch eingefügte prismatische Elemente (11) ergänzt. Kennzeichnend ist die Anordnung der Elemente [gemäß Erfindung] derart, daß die Richtung deren Einzelbrechwirkung (13) der Brechwirkung der Basisstruktur (5) entgegengesetzt ist. Durch vorteilhafte Gestaltung der eingefügten Elemente zur Grundstruktur werden Lichtstrahlen (12), die von der Brechwirkung der Grundstruktur. wieder in den optischen Körper eingefangen würden, zur Austrittsfläche geführt. Dadurch reduzieren sich die Austrittsverluste.

Description

• Stand der Technik:
• Zur Konzentrationen der Lichtstrahlung auf eine Solarzelle sind verschiedene Systeme bekannt. Gewöhnlich führt die Lichtkonzentration zu deutlichen Winkeleinschränkungen, unter denen Solarstrahlung aufgenommen werden kann. Dadurch wird eine Nachführung notwendig und bei Gebieten mit großem diffusen Strahlungsanteil werden solche Konstruktionen gänzlich ineffektiv.
• Problem:
• Es wurden auch schon Konstruktionen ähnlich Anspruch 2.0 vorgestellt ( JP 11340493 ; WO2009064701 ), die das Licht unter Mithilfe von Totalreflektion gesammelt wurde. Problematisch bleibt aber dieses Licht aus dem Konzentrator auszukoppeln, da der Konzentrator einen höheren Licht-Brechungsindex als die Umgebung hat. Der Lichtaustritt zum niedrigeren Brechungsindex unterliegt den einschränkenden Winkelbedingungen der Totalreflexion. Durch die Totalreflexion werden flach auftreffende Strahlen reflektiert. Das schränkt den nutzbaren Lichtaustritt auf einen begrenzten Winkelbereich ein, und führt zu oben genanntem Effizienzverlust
• Ein Schritt zur Verbesserung besteht darin keine ebene Oberfläche zu verwenden, sondern die Oberfläche in Prismenelemente zu untergliedern. Dies bewirkt eine Verbesserung, ist aber auf relativ stumpfe Prismenwinkel beschränkt, womit noch immer nicht alles Licht ausgekoppelt wird. Werden die Prismen so spitzwinklig ausgeführt, daß zunächst alles Licht die Auskoppelbedingung erfüllt, dann wird durch die Brechwirkung der Nachbarprismen ein Teil des Licht zum Körper zurückgeführt, und geht wieder verloren.
• Zeigt wie ein einzelnes Prismenelement (1) einen Lichtstrahl (2) ablenkt. zeigt ein Körper (3) mit einfach prismatischer Oberfläche. Eingezeichnet ist wie ein Lichtstrahl (4) durch die Brechwirkung wieder in den Körper zurückgeführt wird. Die Brechrichtung der Grundstruktur ist mit dem Pfeil (5) eingezeichnet.
• Problemlösung:
• Zur Lösung dieses Problems wird nachfolgend ein neuartiger Aufbau einer prismatisch gegliederten Oberflächenstruktur dargestellt, mit der sich diese Austrittsverluste weitgehend vermindern lassen.
• Die Oberfläche, in dargestellt, besteht aus prismatisch ausgeführten Elementen. Diese Elemente können plane, sphärische oder asphärische Konturen enthalten. Kennzeichnend für eine Oberfläche gemäß der Erfindung ist eine Prismatische Basisstrukur des Grundkörpers (10) aus dem das Licht austritt. Diese Basistruktur wird gemäß der Erfindung durch eingebrachte Prismen (11) – meist aus einem weiteren Material mit einem abweichenden Brechungsindex – ergänzt. Die Prismen-Elemente sind so gestaltet, daß sie eine brechende Wirkung (13) entgegen der Brechungswirkung der Basisstrukur (5) entwickeln.
• Durch diese vorteilhafte Anordnung der eingefügten Elemente (11) zur Basisstrukur werden Lichtstrahlen (12), die von der Brechwirkung der Basisstrukur. wieder in den optischen Körper eingefangen würden, zur Austrittsfläche geführt. Dadurch lassen sich die Austrittsverluste reduzieren, womit sich die Effizienz von Solarkonzentratoren verbessern läßt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• JP 11340493 [0002]
• WO 2009064701 [0002]

Claims (9)

1. Optische Lichtaustrittsfläche dadurch gekennzeichnet daß eine prismatisch gegliederte Basisstrukur (10) durch eingefügte prismatische Elemente (11) dergestalt ergänzt wird, daß deren Brechwirkung (13) der Brechwirkung der Basisstruktur (5) entgegengesetzt ist. ( )
2. Auf einen Solarkonzentrator, der aus einem Prismatischem Grundkörper (20) besteht. Versehen mit mindestens einer Lichteintrittsfläche (22), einer Reflektionsfläche (23), die unter einem so gewählten Winkel Zur Fläche (22) steht, daß das einfallende Licht teilweise unter Totalreflektion an Fläche (22) auf die Austrittsfläche (24) reflektiert wird. Diese Oberfläche 24 ist mit einer Struktur nach Anspruch 1 versehen.
3. Solarkonzentrator nach Anspruch 2, der mit weiteren optischen Elementen zur Optimierung der Lichtausbeute vor oder nach dem Element versehen ist. Insbesondere optische Linsen, auch Fresnellsysteme, weitere Spiegel oder Lichtleiter Elemente.
4. Solarkonzentrator nach Anspruch 2 oder 3, dessen Grundkörper aus einem Verbund aus verschiedenen Materialien, auch Fluiden besteht.
5. Solarkonzentrator nach Anspruch 2 bis 4 in dem Hohlräume angebracht sind, die auch der Kühlung dienen können.
6. Kaskadierende Anordnung mehrer Solarkonzentratoren nach Anspruch 2 bis 5
7. Solarkonzentrator ähnlich Anspruch 5 bis 6, bei dem die Wirkelmente in räumlicher Anordnung zueinander angebracht sind.
8. Die Kombination eines Solarkonzentrators nach Anspruch 2–7 mit einem Strahlenteiler, der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen separiert.
9. Verwendung einer Optischen Oberfläche gem. Anspruch 1 in einer anderen Anwendung. z. B. beim Auskoppeln von Licht aus LED-Elementen.

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