DE102011114898A1

DE102011114898A1 - Anordnung zur Lichtumlenkung

Info

Publication number: DE102011114898A1
Application number: DE102011114898A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schmidt; Ilona Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2013-04-11

Abstract

Anordnung zur Lichtumlenkung, bestehend aus zeilen- und spaltenförmig angeordneten gesteuerten optischen Elementen, die es ermöglichen, einfallendes Licht einer variablen Lichtquelle, unabhängig vom Aufenthaltsort der Quelle, demzufolge unabhängig von Azimut und Elevation des Ortes der Quelle und ohne die Verwendung komplizierter Nachführmechaniken, immer in die gleiche, vorher bestimmbare Richtung, umzuleiten.

Description

Bekannt und im Gebrauch sind Vorrichtungen zur Optimierung des Einfallwinkels von Sonnenstrahlen zur photovoltaischen oder zur solarthermischen Nutzung, beispielhaft beschrieben in den Schriften DE 4317279A1 , DE 3884063T2 , DE 10 2007 044 A1 , DE 11 2006 002 868 T5 , DE 10 2008 024 921 A1 und US 4,022,186 , bei denen entsprechende Komponenten dem Sonnenstand in der Ausrichtung auf mechanischem Wege angepasst werden. Die hierfür erforderlichen Komponenten stellen bezüglich der Belastung und des Verschleißes störanfällige Größen dar. Auch die permanente Bewegung der aktiven Komponenten wirkt sich nachteilig für die Zuverlässigkeit derartiger Einrichtungen aus.
In der Schrift DE 10 2008 049 904 A1 sind aufblasbare Komponenten beschrieben, die zur Ausrichtung der energiewandelnden Komponenten Verwendung finden. Die zu bewegenden Massen und vorhandene Witterungseinflüsse begrenzen die Anwendbarkeit dieser Technik.
Es sind weiterhin keilförmige Lichtablenkvorrichtungen in der Schrift DE 3689417 T2 beschrieben, bei denen Licht an der Stirnseite eines transparenten keilförmigen Körpers eintritt und diesen aufgrund sich stetig ändernder Reflexionsbedingungen, bedingt durch die Keilform, wieder verlässt. Die Funktion derartiger Anlagen setzt konstante Umgebungsbedingungen voraus.
Häufig genutzt für die Lichtlenkung sind Anlagen, die auf der Reflexion des Lichtes an spiegelnden Flächen basieren. Beschrieben sind derartige Vorrichtungen beispielsweise in den Schriften DE 10 2009 042 092 A1 , DE 10 2008 055 871 A1 . DE 10 2007 036 528 A1 und US 4,069,812 . Nachteilig an der Nutzung verspiegelter Flächen ist die Möglichkeit des Auftretens einer Verschmutzung und die weiterhin aufwendige Justage und Nachführung im Betrieb.
Lichtlenkende Elemente für begrenzte Wirkflächen sind auch unter Nutzung spektraler Aufspaltung bekannt, beispielhaft beschrieben in der Schrift DE 10 2007 023 583 A1 , bei der Wärmespektren aus dem photovoltaisch zu nutzenden Spektrum entfernt und umgelenkt werden.
Lichtlenkung unter Nutzung von Sammellinsen, Reflektoren oder Prismen ist dargestellt und beschrieben in der Patentschrift DE 19854391 A1 , bei der eine mechanische Nachführung der Elemente zum Sonnenstand mittels gegengekoppelter thermischer Schaltelemente erfolgt, deren Wirkung allerdings nur auf begrenzte Bereiche beschränkt sein kann.
Aufgabe einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtlenkung soll es demzufolge sein, die Nachteile und Einschränkungen der derzeit bekannten technischen Lösungen weitmöglichst zu beseitigen und die Richtung des beispielsweise einfallenden Sonnenlichts, unabhängig vom Sonnenstand oder von dem Ort einer sich bewegenden Lichtquelle, derart zu steuern, dass die Wirkungen von Azimut- und Elevationsänderungen möglichst derart kompensiert werden, dass das Licht, nach Durchlaufen der Anordnung zur Lichtlenkung, unabhängig von den äußeren Bedingungen, möglichst konstante Richtungseigenschaften aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass gesteuerte optische Elemente, ggf. in mehreren Ebenen und Richtungen angeordnet, mit speziellen Eigenschaften und großer Variabilität in den Wirkeigenschaften ausgestattet, zum Einsatz gelangen.
Derartige gesteuerte optische Elemente sind beispielhaft in den Abbildungen der 1, in den Untergliederungen von a bis c, und in der 2, in den Untergliederungen von a bis d, dargestellt. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen davon abgeleitete beispielhafte optische Elemente mit sehr großen Variationseigenschaften. Durch die Darstellung in 5 wird ein gesteuertes optisches Element mit sehr großem Variationsbereich und mit sehr vielen Freiheitsgraden in den Beeinflussungsmöglichkeiten dargestellt. In der Abbildung 6, in den Ausführungen von a und b, sind Anordnungsmöglichkeiten der beschriebenen gesteuerten optischen Elemente der 1 und 2 abgebildet. In der 7 mit den Untergliederungen von a bis c, werden prinzipielle Möglichkeiten des Aufbaues einer Anordnung zur Lichtlenkung gezeigt.
8 stellt in beispielhafter Weise eine Ansteuermöglichkeit für eine Anordnung zur Lichtlenkung dar.
Bei dem in der 1, in den Ausführungen von a bis c, dargestellten gesteuerten optischen Element handelt es sich um eine Anordnung, bestehend aus einem transparenten Träger 1, mit dem eine ebenfalls transparente Membrane 2 auf der einen Seite als Gelenkverbindung 3 formvariabel verbunden ist und auf der Gegenseite eine Arbeitskammer 4 ganz oder teilseitig zur Formsteuerung besitzt. Das eingeschlossene Volumen 5 steht mit einem Anschluss 6, für eine optische Flüssigkeit, und die Arbeitskammer 4, über einen Anschluss 7, mit einem Arbeitsmedium in Verbindung. Wird beispielhaft Arbeitsmedium über den Anschluss 7 in die Arbeitskammer 4 verbracht, dargestellt in der 1b, dehnt sich diese aus und verändert dabei die Lage der Membrane 2, was ermöglicht wird durch die Gelenkverbindung 3 und eine Vergrößerung des Volumens 5 zur Folge hat. Die dafür benötigte optische Flüssigkeit gelangt über den Anschluss 6 in die Anordnung des gesteuerten optischen Elements. Durch die Lageänderung der Membrane 2 zur Grundplatte 1 werden Veränderungen der optischen Eigenschaften realisiert. Die Abbildung 1c zeigt zur Verbesserung der Anschaulichkeit ein derartiges gesteuertes optisches Element in perspektivischer Darstellung. Hierbei werden auch die variablen Begrenzungen 8 für die Seitenflächen dargestellt.
In der Abbildung von 2, in den Ausführungen von a bis d, wird die bereits in 1 beschriebene Anordnung eines gesteuerten optischen Elements in modifizierter Form abgebildet. Hierbei ist die Gelenkverbindung 3 gemäß der 1 ersetzt durch zusätzliche Arbeitskammern 4. Wie aus den dargestellten Befüllungsständen der Arbeitskammern 4 in der 2b und 2c ersichtlich ist, ist mittels dieser Anordnung eine weitaus größere Variabilität eines gesteuerten optischen Elements gegenüber der in 1 dargestellten Lösung erreichbar. 2d soll den Aufbau eines solchen gesteuerten optischen Elements in perspektivischer Darstellung veranschaulichen.
Abweichend zur 2 ist in 3 ein jeweils separater Anschluss 7, 9, 10 und 11 für die Arbeitskammern 4 dargestellt. Damit ist jede Arbeitskammer 4 einzeln und unabhängig voneinander befüllbar. Hierdurch wird die Realisierung komplizierter Lagen der Membrane 2 zur Grundfläche 1 ermöglicht.
In der Abbildung von 4 wird eine Erweiterung des Aufbaus eines gesteuerten optischen Elements gegenüber der in 3 dargestellten gezeigt. Hierbei wird zur Unterseite des transparenten Trägermaterials 1 ein gleichgestalteter Aufbau gemäß 3 hinzugefügt. Über die zusätzlichen Anschlüsse 12, 13, 14 und 15, für die hinzugefügten Arbeitskammern 4, ergibt sich nochmals eine Vergrößerung der Lagevariabilität der Membrane 2 und damit der optischen Wirkung der Gesamtanordnung.
5 stellt in Analogie zur Abbildung von 4 eine Anordnung eines gesteuerten optischen Elements dar, das aus der entsprechenden Anwendung eines zusätzlichen gesteuerten optischen Elements gemäß 1 entsteht.
In der Abbildung von 6, in den Ausführungen von a und b, ist die beispielhafte zeilen- und spaltenförmige Anordnung der bislang beschriebenen gesteuerten optischen Elemente dargestellt. Mittels eines Rahmens 16, mit einer transparenten Deckplatte 17 und einer transparenten Bodenplatte 18 sind die gesteuerten optischen Elemente zu Einheiten zusammen gefasst.
7, mit den Untergliederungen von a bis c, stellt beispielhafte Möglichkeiten der Anordnung der Aufbauten gemäß der 6a und 6b dar. In einem Rahmen 16 mit der transparenten Deckplatte 17 und der transparenten Bodenplatte 18 sind eine Anordnung zum Ausgleich des Azimutwinkels 19, eine Anordnung zum Ausgleich des Elevationswinkels 20 und ein Photovoltaikteil 21 in Schichtform übereinander angeordnet. Die 7b zeigt eine analoge Anordnung jedoch ohne ein Photovoltaikmodul 21, aber mit beispielsweise seitlichen Befestigungen 22 zur nachträglichen Montage an bereits bestehende Anlagen. In 7c sind die Anordnung zum Ausgleich des Azimutwinkels 19 und die Anordnung zum Ausgleich der Elevationswinkels 20, durch den Einsatz hochvariabler gesteuerter optischer Elemente, in eine kombinierte Ausgleichsvorrichtung 23, zusammengefasst.
In 8 ist eine Möglichkeit zur Steuerung einer derartigen Anordnung zur Lichtlenkung am Beispiel für den Ausgleich des Azimutwinkels 19, dargestellt. Der Anschluss für die optische Flüssigkeit 6 ist über eine Pumpe 24 mit einem Behältnis 25 für die optische Flüssigkeit verbunden. Analog ist der Anschluss 6 für das Arbeitsmedium über eine Pumpe 26 mit einem Behältnis 27 für die Arbeitsflüssigkeit verbunden. Sensoren 28 stehen mit einem Mikrocontroller 29 in Verbindung, der gleichzeitig an die Pumpen 24 und 26 angeschlossen ist. Gemäß der durch die Sensoren 28 bereitgestellten Signale werden über den Mikrokontroller 29 die Pumpen 24 und 26 derart betätigt, dass die optischen Eigenschaften der Anordnung, zum Ausgleich des Azimutwinkels 19, den gestellten Anforderungen optimal entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Trägermaterial
2: Membrane
3: Gelenkverbindung
4: Arbeitskammer
5: Volumen
6: Anschluss für optische Flüssigkeit
7: Anschluss für das Arbeitsmedium
8: Variable Begrenzungsfläche
9: Anschluss für das Arbeitsmedium
10: Anschluss für das Arbeitsmedium
11: Anschluss für das Arbeitsmedium
12: Anschluss für das Arbeitsmedium
13: Anschluss für das Arbeitsmedium
14: Anschluss für das Arbeitsmedium
15: Anschluss für das Arbeitsmedium
16: Rahmen
17: Transparente Deckplatte
18: Transparente Bodenplatte
19: Anordnung zum Ausgleich des Azimutwinkels
20: Anordnung zum Ausgleich des Elevationswinkels
21: Photovoltaikteil
22: Befestigung
23: Kombinierte Ausgleichsanordnung
24: Pumpe
25: Behältnis
26: Pumpe
27: Behältnis
28: Sensor
29: Mikrocontroller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4317279 A1 [0001]
DE 3884063 T2 [0001]
DE 102007044 A1 [0001]
DE 112006002868 T5 [0001]
DE 102008024921 A1 [0001]
US 4022186 [0001]
DE 102008049904 A1 [0002]
DE 3689417 T2 [0003]
DE 102009042092 A1 [0004]
DE 102008055871 A1 [0004]
DE 102007036528 A1 [0004]
US 4069812 [0004]
DE 102007023583 A1 [0005]
DE 19854391 A1 [0006]

Claims

Anordnung zur Lichtlenkung, gekennzeichnet dadurch, dass die Richtungsbeeinflussung von Strahlen im optischen Wellenbereich durch gesteuerte optische Elemente erfolgt, die aus einer transparenten und elastischen Membrane 2 bestehen und ein Volumen 5 einschließen, das mit einer optischen Flüssigkeit gefüllt ist, wobei mindestens eine Verbindungsseite zum Trägermaterial 1 als Gelenkverbindung 3 ausgeführt ist und mindestens eine Seite mittels einer Arbeitskammer 4, mit dem Anschluss für die optische Flüssigkeit 6 oder mit einem Anschluss für ein Arbeitsmedium 7, in Verbindung steht, wobei die verbleibenden Seiten als variable Begrenzungsflächen 8 ausgebildet sind.
Anspruch gemäß des Punktes 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an allen Seiten des durch das gesteuerte optische Element gebildete Volumen 5 Arbeitskammern 4 derart befinden, dass von ihnen die variablen Begrenzungsflächen 8 mindestens teilweise eingenommen werden und dass alle Arbeitskammern 4 in gleichem Maße, oder auch unabhängig voneinander, gefüllt oder entleert werden.
Anspruch gemäß der Punkte 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Ansprüche 1. und 2. gebildeten gesteuerten optischen Elemente jeweils auf der Oberseite und auf der Unterseite eines Trägermaterials 1 angeordnet sind und die Arbeitskammern 4 in gleichem Maße, oder auch unabhängig voneinander, gefüllt oder entleert werden, wobei das Trägermaterial 1 sowohl trennende, als auch verbindende Eigenschaften zwischen den gesteuerten optischen Elementen besitzt.
Anspruch gemäß der Punkte 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Ansprüche 1. bis 3. gebildeten gesteuerten optischen Elemente eine gezielte Richtungsbeeinflussung der Strahlung im optischen Wellenlängenbereich in mindestens einer Ebene ermöglichen.
Anspruch gemäß der Punkte 1. bis 4., gekennzeichnet dadurch, dass die durch die Ansprüche 1. bis 3. gebildeten gesteuerten optischen Elemente in Zeilen- und Spaltenform angeordnet sind und dass diese Anordnungen auch über einander liegend positionierbar sind.
Anspruch gemäß der Punkte 1. bis 5., gekennzeichnet dadurch, dass eine gezielte Beeinflussung der gesteuerten optischen Elemente gemäß der Ansprüche 1. bis 3. derart erfolgt, dass die von den Sensoren 28 erfassten Größen mittels eines Mikrocontrollers 29 zu deren Steuerung angewendet werden.
Anspruch gemäß der Punkte 1. bis 6., dadurch gekennzeichnet, dass durch die optische Flüssigkeit und/oder durch das Arbeitsmedium Wärmeenergie aus oder in die Arbeitskammern 4 und/oder in die Volumina 5 geleitet wird/werden.
Anspruch gemäß der Punkte 1. bis 7., gekennzeichnet dadurch, dass die gesteuerten optischen Elemente unabhängig von weiteren Komponenten oder in Verbindung mit Anlagen der Photovoltaik und/oder der Solarthermie verwendet werden.