DE10328321A1

DE10328321A1 - Multifunctional prism blunt wedge e.g. for solar radiation concentration, has defined divergence angle falling on wide aperture surface of PSK by total reflections at boundary surface between PSK flanks and ambient air

Info

Publication number: DE10328321A1
Application number: DE10328321A
Authority: DE
Inventors: Jürgen KLEINWÄCHTER
Original assignee: SOLAR DYNAMICS GmbH
Current assignee: SOLAR DYNAMICS GmbH
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-20

Abstract

The wedge (PSK) has a defined divergence angle falling on a wide aperture surface of the PSK by total reflections at the boundary surface between the PSK flanks and the ambient air. Additional reflections are within the final range of the PSK on the smaller projected surface.

Description

Sonnenenergiesysteme, die mittels optischer Linsen das direkte vom diffusen Tageslicht trennen und verschiedenen Funktionen zuführen, erlauben eine besonders effiziente und praxisorientierte Nutzung des solaren Strahlungsangebotes. Typischerweise sind solche Systeme als semitransparente Dächer oder Gebäudehüllen konzipiert. Als Linsensysteme kommen besonders lineare Fresnellinsen oder entsprechende holografische Linsen in Frage. Diese konzentrieren das direkte Sonnenlicht auf Brennlinien, wo es in Wärme (thermischer Kollektor) oder Strom (typisch: Photovoltarzelle oder thermoelektrischer Wandler) umgewandelt und zum Nutzungsort transportiert wird. Das diffuse Sonnenlicht wird nicht in der Brennlinie konzentriert und steht daher unterhalb der Linsen als blendfreies, angenehmes Tageslicht zur Verfügung. Wird eine solche Anordnung als Dach oder Gesamthülle (Envelope) eines Gebäudes benutzt, besitzt diese neben den Vorteilen der Strom- und Wärmegewinnung und einer angenehmen Tageslichtatmosphäre auch noch den Zusatzbonus einer passiven Klimatisierung, da ein Großteil der normalerweise unter der Glashülle entstehenden Wärme dem Gebäude als Nutzenergie entzogen wird. Der verbleibende Diffusanteil leuchtet den Raum nicht nur blendfrei aus, sondern führt aufgrund seiner geringen Energiedichte auch zu angenehmen Raumtemperaturen.Solar energy systems, which separate the direct from the diffuse daylight by means of optical lenses and perform various functions, allow a particularly efficient and practice-oriented use of the solar radiation offer. Typically, such systems as semi-transparent roofs or building envelopes. As lens systems are particularly linear Fresnel lenses or equivalent holographic lenses in question. These concentrate the direct sunlight on burning lines, where it is in heat (thermal collector) or current (typical: photovoltaic cell or thermoelectric converter) and transported to the place of use becomes. The diffused sunlight is not concentrated in the focal line and is therefore below the lenses as glare-free, pleasant Daylight available. If such an arrangement is used as the roof or envelope of a building, has this in addition to the advantages of electricity and heat generation and a pleasant daylight atmosphere also the additional bonus passive air conditioning, since much of the normally under the glass envelope resulting heat the building is withdrawn as useful energy. The remaining diffuser part illuminates the Space not only glare-free, but leads due to its low Energy density also to pleasant room temperatures.

Grundsätzlich nachteilig bei Linsensystemen der beschriebenen Art ist, daß diese aufgrund der Dachintegration nur über die Ost-West Achse ständig senkrecht zur Sonne hin ausgerichtet werden können (Elevation). Der Tagesverlauf des Sonnenstandes (Azimut) bedingt jedoch, daß die Linsen in Funktion der Zeit aus verschiedenen Richtungen bestrahlt werden. Dies führt aus prinzipiellen, optischen Gründen (Fresnelgleichungen) zu einer Variation der Brennweite in Funktion des Einstrahlungswinkels. Wird diesem Effekt nicht über eine zweite Regelkomponente (typisch: aktive Veränderung des Abstandes Linse-Strahlungsempfänger oder kompensierende Spiegelboostersysteme) gegengesteuert, sinkt der Wirkungsgrad des Systems als Funktion der realen, erreichten Sonnenkonzentration stark ab.Basically disadvantageous in lens systems of the type described is that these due to the roof integration only over the east-west axis is constantly vertical towards the sun (elevation). The course of the day the position of the sun (azimuth), however, requires that the lenses in function of Time to be irradiated from different directions. This leads out in principle, optical reasons (Fresnel equations) to a variation of the focal length in function the angle of incidence. Does not have this effect over one second control component (typically: active change in the distance lens-radiation receiver or compensated mirror booster systems) counteracted, the efficiency decreases of the system as a function of the real, achieved solar concentration strong.

Typisch für die geschilderten Linsensysteme sind zwei Varianten vorbekannt.Typical for the described lens systems are two variants previously known.

Die erste wurde von der tschechischen Firma Envi entwickelt (Patentanmeldung No. 284 185 in Tschechien) und besteht aus einer als fixe Dachhaut aus linearen Glasfresnellinsen aufgebauten Anordnung. (Markenname: Solarglas SG-1). Die unter dieser Dachhaut in Funktion des Sonnenstandes wandernden Brennlinien werden von aktiv über eine Sonnensensor bewegten Absorberrohren verfolgt. Eine Brennweitenkorrektur und eine Korrektur der bei schrägem Einfall (Elevation) resultierenden kaustischen Verzerrung der Brennlinie erfolgt nicht.The the first was developed by the Czech company Envi (patent application No. 284 185 in the Czech Republic) and consists of a fixed roof skin Linear glass fringed lenses arranged arrangement. (Brand name: solar glass SG-1). The under this roof skin in function of the position of the sun wandering Burning lines are being actively over tracked a sun sensor moving absorber tubes. A focal length correction and a correction of oblique Incidence (elevation) resulting caustic distortion of the focal line not done.

Die zweite vom Erfinder dieser Anmeldung et. al. angemeldeten Anordnung beinhaltet ein- oder zweiachsig der Sonnen nachgeführte Fresnellinsen, die sich unter einer transparenten Wind- und Wetterschutzhülle ebenfalls sensorgesteuert nach der Sonne ausrichten (DPA 198 45 656 A1).The second from the inventor of this application et. al. notified order includes one or two axes of the sun tracked fresnel lenses, the also under a transparent wind and weather protection cover sensor-controlled according to the sun (DPA 198 45 656 A1).

Der Hauptnachteil der vorbekannten Technologien besteht also in der grundsätzlichen Eigenschaft, daß optische Linsen in Funktion des Winkels der auftreffenden Strahlung ihre Brennweite ändern, und dieser Effekt nur durch entsprechend komplizierte Nachführ- und Regelmechanismen kompensiert werden kann.Of the The main disadvantage of the previously known technologies is therefore in the basic Property that optical Lenses in function of the angle of the incident radiation their Change focal length, and This effect only by appropriately complicated tracking and Control mechanisms can be compensated.

Das Grundelement der vorliegenden Erfindung besteht daher aus einem Prismenstumpfkeil (PSK) zur Konzentration des Sonnenlichtes.The The basic element of the present invention therefore consists of a Prism Stump Wedge (PSK) to Concentrate Sunlight.

Ein solcher PSK, der aus einem transparenten, optisch dichtem Medium besteht, ist geometrisch so aufgebaut, daß er die unter einer vorgegebenen Winkelvariation Δα auf seiner Aperturfläche A einfallenden Strahlung durch Totalreflektion auf die kleinere Austrittsfläche B konzentriert. In 1 sind die grundsätzlichen optischen Gegebenheiten dargestellt.Such a PSK, which consists of a transparent, optically dense medium, is geometrically constructed so that it concentrates the radiation incident on its aperture surface A at a predetermined angle variation .DELTA..alpha. By total reflection onto the smaller exit surface B. In 1 the basic optical conditions are shown.

Dabei ist (1) der aus einem hochtransparenten Stoff mit deutlich höherer Brechzahl als die umgebende Luft bestehende, langgezogene PSK. Seine der Sonne zugewandte Aperturfläche A (2) verjüngt sich in die kleinere Austrittsfläche B (3), die dadurch erhalten wird, daß bei einem gedachten, vollständigen Prismenkeil (----------------- Linie) der untere, in einer Linie mündende Teil so planparallel zur Eintrittsfläche (2) abgeschnitten wird, daß die mit der jährlichen Winkelvariation Δα entsprechend der Elevation der Sonnen von ± 23,5° = 47° auf der Eintrittsfläche A (2) auftreffende Sonnenstrahlung durch interne Totalreflektion an der Grenzfläche PSK/Luft vollständig auf die Austrittsfläche B (3) projiziert und gemäß dem Verhältnis A/B konzentriert wird.Where is 1 ), which consists of a highly transparent material with a significantly higher refractive index than the surrounding air, elongated PSK. Its sun-facing aperture area A ( 2 ) tapers into the smaller exit surface B ( 3 ), which is obtained by the fact that in an imaginary, complete prism wedge (----------------- line) the lower, in a line opening part so plane parallel to the entrance surface ( 2 ) is cut off that with the annual angular variation Δα corresponding to the elevation of the suns of ± 23.5 ° = 47 ° on the entrance surface A ( 2 ) incident solar radiation by total internal reflection at the interface PSK / air completely on the exit surface B ( 3 ) and concentrated according to the ratio A / B.

Im einfachsten Falle eines achsensymmetrischen PSK wird dieser so positioniert, daß seine Neigung gegenüber der Horizontalen durch den Winkel γ (4), der der geographischen Breite des Aufstellungsortes entspricht, gegeben ist. Die Aperturfläche (2) zeigt dabei nach Süden, wobei die Längsachse des PSK von Ost nach West ausgerichtet ist. Die sich gegenüber der Senkrechteinstrahlung während der Äquinoktien (6) um ± 23,5° ändernde saisonale Eintrittsrichtung kann vom PSK komplett durch Totalreflektion von (2) nach (3) transportiert werden.In the simplest case of an axisymmetric PSK this is positioned so that its inclination relative to the horizontal by the angle γ ( 4 ), which corresponds to the latitude of the site. The aperture area ( 2 ) points to the south, with the longitudinal axis of the PSK aligned from east to west. The opposite to the vertical irradiation during the equinoxes ( 6 ) by ± 23.5 ° changing seasonal entrance direction can be completed by PSK completely by total reflection of ( 2 ) to ( 3 ) be transported.

Die somit dargestellte Grundversion des PSK kann also bei geeigneter Aufstellung (Apertur nach Süden, Neigungswinkel gegenüber der Horinzentalen=Breitengrad des Aufstellungsortes), ohne jegliche Nachführung das Sonnenlicht um den Faktor A/B konzentrieren. Dabei kann neben dem direkten, parallelen Sonnenlicht auch das diffuse Licht das mit einer Winkelvarianten von 2∙α/2 bezüglich der Senkrechten zur Apertur hin einfällt, mit konzentriert werden. Alle Strahlen, die bezüglich dieser Achse mit Winkeln die größer als ± α/2 sind, einfallen, dringen zwar in den PSK ein, werden aber vor Erreichen von B (3) als diffuses Licht in den unterhalb des PSK gelegenen Raum austreten. Positioniert man erfindungsgemäß in der PSK Austrittsebene B (3) einen Strahlungsempfänger und Wandler, so wird der PSK grundsätzlich zum multifuktionalen solaren Strahlungskonzentrator. Seine Hauptfunktionen sind dabei:

1. Trennung des Außenraumes vom Innenraum (Dach, Fassade, Fenster → allgemein: Envelope).
2. Konzentration des Sonnenlichtes auf einem Strahlungsempfänger und Wandler (typisch: thermisch, photovoltaisch oder kombiniert).
3. Selektive Transmission des diffusen Lichtanteiles in den Innenraum, dadurch angenehme, blendfreie Beleuchtung und geringer Energieeintrag (indirekte Klimatisierung)

The thus represented basic version of So PSK can concentrate the sunlight by a factor of A / B if it is properly positioned (aperture to the south, angle of inclination to Horinzental = latitude of the site), without any tracking. In addition to the direct, parallel sunlight, the diffuse light incident with an angle variant of 2 ∙ α / 2 with respect to the perpendicular to the aperture can also be concentrated. All rays that are incident with respect to this axis at angles greater than ± α / 2 are indeed penetrating into the PSK, but before reaching B ( 3 ) emerge as diffused light into the space below the PSK. If one positions according to the invention in the PSK exit plane B (FIG. 3 ) a radiation receiver and transducer, the PSK basically becomes a multifunctional solar radiation concentrator. Its main functions are:

1. Separation of the exterior space from the interior (roof, facade, window → general: Envelope).
2. Concentration of sunlight on a radiation receiver and transducer (typically: thermal, photovoltaic or combined).
3. Selective transmission of the diffuse light component into the interior, thus pleasant, glare-free illumination and low energy input (indirect air conditioning)

In 2 ist der Querschnitt durch einen typischen PSK dargestellt. Ist die Brechzahl des Keilmaterials beispielsweise 1,5 gegenüber der umgebenden Brechzahl der Luft von 1,0, dann kann der stationär nach Süden ausgerichtete PSK das Licht im günstigsten Falle mit einem Faktor von 3 der durch das Verhältnis der Flächen (2)/(3) gegeben ist, konzentrieren. Der Keilwinkel β/2 des PSK wird dabei so gewählt, daß er dem aufgrund des Überganges vom dünneren Mediums Luft (N₁=1) ins dichtere PSK Medium (N₂=1,5) verkleinerten Winkel β/2 entspricht (gemäß der bekannten Beziehung (sin α/2)/(sin β/2) = 1,5). Bei dieser erfindungsgemäßen Geometrie wird beispielsweise beim Tiefstand der Sonne im Winter der Randstrahl (7) parallel zur PSK Mantelfläche ohne weitere Reflexion in die Ebene (3) gelenkt. Der für diesen Sonnenstand ungünstigste Randstrahl (7a) wird dagegen gemäß der Totalreflexionsbedingung: sin ε_tot N₁/N₂ = 1/1,5 → ε_tot = 41,9° zweimal reflektiert und in die Tiefe des Keiles gelenkt. Hier würde er beim Auftreffen auf die gegenüberliegende PSK-Wand die Bedingung der Totalreflexion nicht mehr erfüllen und aus dem PSK austreten. Deswegen ist erfindungsgemäß der unterste Teil des PSK aus dem die ungünstigsten Randstrahlen austräten, mit Planspiegeln (8) belegt. Diese reflektieren Strahl (7a) auf die Ebene (3). Am Beispiel des Mittelstrahles (7b), der mühelos (3) erreicht, ist dargestellt, daß es genügt, die Randstrahlen (7), (7a) zu betrachten, um eine Aussage über das "Schicksal" des gesamten restlichen Strahlungsfeldes machen zu können. Da die Winkelverhältnisse vom Wintertiefststand zum Sommerhöchststand symmetrisch bezüglich der Flächennormalen zu (2) sind, kehren sich die Strahlengänge vom Sonnenhalbjahr zum Winterhalbjahr hin und umgekehrt, lediglich von der rechten zur linken PSK Flanke und umgekehrt hin, um.In 2 the cross section through a typical PSK is shown. For example, if the refractive index of the wedge material is 1.5 compared to the surrounding refractive index of the air of 1.0, then the stationarily south-facing PSK can, by a factor of 3, lower the light by the ratio of areas ( 2 ) / ( 3 ), concentrate. The wedge angle β / 2 of the PSK is chosen so that it corresponds to the due to the transition from the thinner medium air (N ₁ = 1) into the denser PSK medium (N ₂ = 1.5) reduced angle β / 2 (according to the known Relationship (sin α / 2) / (sin β / 2) = 1.5). In this geometry according to the invention, for example, at the low point of the sun in winter, the marginal ray ( 7 ) parallel to the PSK lateral surface without further reflection into the plane ( 3 ) steered. The unfavorable marginal ray for this position of the sun ( 7a ), on the other hand, according to the total reflection condition: sin ε _tot N ₁ / N ₂ = 1 / 1.5 → ε _tot = 41.9 ° reflected twice and directed to the depth of the wedge. Here he would no longer meet the condition of total reflection when hitting the opposite PSK wall and leave the PSK. Therefore, according to the invention, the lowest part of the PSK emerges from the most unfavorable marginal rays, with plane mirrors ( 8th ). These reflect beam ( 7a ) to the level ( 3 ). Using the example of the middle beam ( 7b ), which effortlessly ( 3 ), it is shown that it suffices to 7 ) 7a ) in order to make a statement about the "fate" of the entire remaining radiation field. Since the angle ratios from winter low to summer high are symmetrical with respect to the surface normal to ( 2 ), the beam paths turn from the solar half-year to the winter half-year and vice versa, only from the right to the left PSK flank and vice versa.

Die Konzentration des in 1 und 2 dargestellten stationären PSK variiert in Funktion der Jahreszeit. Dies hängt damit zusammen, daß die äußeren, im Randbereich von (2) auftreffenden Strahlen bei bestimmten Einfallswinkeln die Ebene (3) nicht erreichen. Dadurch verkleinert sich die effektive Fläche der Ebene (2) und damit die Strahlungskonzentration von (2) nach (3). Die jahreszeitliche Variation der Konzentration des geschilderten PSK ist in 3 wiedergegeben.The concentration of in 1 and 2 shown stationary PSK varies in function of the season. This is related to the fact that the outer, in the edge region of ( 2 ) incident rays at certain angles of incidence the plane ( 3 ) do not reach. This reduces the effective area of the plane ( 2 ) and thus the radiation concentration of ( 2 ) to ( 3 ). The seasonal variation of the concentration of the described PSK is in 3 played.

Bei vorgegebener Winkelvariation der auf einen fix nach Süden hin orientierten PSK auftreffenden Strahlen kann also erfindungsgemäß ein vollkommen stationärer Solarkonzentrator realisiert werden. Je höher hierbei das Verhältnis der Brechzahlen N₁/N₂ ist, desto stärker kann das Sonnenlicht konzentriert werden. Für kostengünstige und bewährte Materialien wie beispielsweise P.M.M.A. liegt die Brechzahl bei ca. 1,5, womit maximale Konzentrationsfaktoren von c=3 erreichbar sind. Da der Konzentrationsfaktor jahreszeitlich schwankt, ist mit dieser ersten, erfindungsgemäß vollstatischen PSK Variante ein mittlerer Konzentrationsfaktor von ca. 2,6 realisierbar.Thus, according to the invention, a completely stationary solar concentrator can be realized according to the invention given a predetermined angle variation of the rays striking a south-oriented PSK. The higher the ratio of the refractive indices N ₁ / N ₂ , the stronger the sunlight can be concentrated. For cost-effective and proven materials such as PMMA, the refractive index is about 1.5, whereby maximum concentration factors of c = 3 can be achieved. Since the concentration factor fluctuates seasonally, a mean concentration factor of about 2.6 can be achieved with this first, completely inventive PSK variant.

Dies kann besonders dann wirtschaftlich interessant sein, wenn der Strahlungsempfänger ein photovoltaisches Modul ist. Dazu sind erfindungsgemäß zwei Maßnahmen nötig. Zum ersten muß der Materialaufwand und damit der Preis des PSK Elementes möglichst gering sein, damit der Einsparungseffekt am spezifisch teuren PV Modul (der durch die Reduzierung der benötigten Fläche gegenüber PV Module ohne Lichtkonzentration zustande kommt) sich auszahlt. Zum zweiten muß das PV Modul passiv oder aktiv gekühlt werden.This can be particularly economically interesting if the radiation receiver is a photovoltaic Module is. For this purpose, two measures are necessary according to the invention. First, the cost of materials and so that the price of the PSK element be as low as possible the saving effect on the specifically expensive PV module (which is replaced by the Reduction of the required area across from PV module without light concentration comes about) pays off. The second thing is that PV module passive or active cooled become.

Die erste Maßnahme wird durch möglichst kleine geometrische Abmessungen des PSK realisiert. Dies wird in der Praxis nur durch die technisch realisierbare geringste Streifenbreite des PV Moduls begrenzt. Aus optischer Sicht sind beispielsweise PSKs mit Millimeterabmessungen noch sehr groß im Verhältnis zu den Wellenlängen des einfallenden Lichtes und daher voll funktionsfähig. Während heute übliche kristalline, multikristalline und polykristalline Module typisch bis zu einigen mm Streifenbreite hergestellt werden können, könnten moderne, direkt auf die untere Seite des PSK aufdampfbare Dünnschichtsolarzellen um eine bis mehrere Größenordnungen kleiner sein.The first measure is through as small as possible realized geometric dimensions of the PSK. This will be in practice only by the technically feasible smallest strip width of the PV module limited. From an optical point of view, for example, PSKs with millimeter dimensions still very large in relation to the wavelengths of the incident light and therefore fully functional. While today's usual crystalline, multicrystalline and polycrystalline modules typically up to a few mm strip width could be made modern, directly on the Lower side of the PSK vapor-deposited thin-film solar cells to one up to several orders of magnitude be smaller.

Die zweite Maßnahme zur Kühlung der Zellen kann im einfachsten Falle passiv erfolgen, indem die Rückseite des PV-Streifens typisch mit Wärmeableitungsfins, wie sie auch aus der Elektronik bekannt sind, versehen werden. Damit wird allerdings die Wärme dem unterhalb des PSK-Systems liegendem Raum zugeführt.The second measure for cooling the tent In the simplest case, it can be done passively by typically providing the back side of the PV strip with heat dissipation fins, as known from electronics. This, however, the heat is supplied to the lying below the PSK system space.

Deswegen ist prinzipiell eine aktive Kühlung des Moduls, bei dem die Wärme in Form eines transportablen Fluid entzogen wird, vorzuziehen. Grundsätzlich kann eine solche Kühlung durch einen auf der Rückseite des PV Moduls angebrachten, durchströmten Kühlkörper (z.B. ein mit dem Modul gut wärmeschlüssig verbundenes, wasserdurchströmtes Metallrohr) bewerkstelligt werden.therefore is in principle an active cooling of the Module in which the heat is withdrawn in the form of a transportable fluid, preferable. Basically such cooling through one on the back of the PV module mounted, flowed through heat sink (for example, one with the module good heat-connected, water-flowed metal pipe) be accomplished.

Aus physikalischen Gründen ist jedoch die vorderseitige, aktive Kühlung des PV Moduls vorteilhafter. Eine solche Kühlvorrichtung wurde vom Erfinder der vorliegenden Anmeldung bereits angemeldet (D.P.A.: DE 199 23 196 A1 ). Dieser Typus der Zellenkühlung ist für die PSK-Systeme besonders vorteilhaft. Das Grundprinzip ist aus 4 ersichtlich. Das PV Module (9) bildet den Abschluß des PSK und liegt in der Austrittsfläche (3). Oberhalb des Moduls befindet sich im PSK Körper ein kastenförmiger Kanal (10), dessen Breite (9) der Breite der Austrittsfläche B (3) entspricht. In dem Kanal fließt ein Kühlfluid, das zusätzlich erfindungsgemäß folgende Aufgaben übernimmt beziehungsweise Eigenschaften aufweist: 1. Das Fluid ist für den photovoltaisch relevanten Strahlungsanteil durchsichtig. 2. Die Brechzahl des Fluides ist entweder gleich groß oder größer als die des PSK Körpers (bei gleich großer Brechzahl verlaufen die Strahlen als sei der ganze PSK aus dem gleichen Grundmaterial aufgebaut; bei größerer Brechzahl treffen die Strahlen steiler auf dem Strahlungsempfänger (PV-Modul) auf, was in der Regel erwünscht wird. 3. Das Fluid ist elektrisch isolierend. 4. Das Fluid bleibt im weiten Temperaturbereich flüssig (typisch -30°C ≤ t ≤ 150°C).For physical reasons, however, the front side, active cooling of the PV module is more advantageous. Such a cooling device has already been registered by the inventor of the present application (DPA: DE 199 23 196 A1 ). This type of cell cooling is particularly advantageous for the PSK systems. The basic principle is over 4 seen. The PV Module ( 9 ) forms the conclusion of the PSK and lies in the exit surface ( 3 ). Above the module is located in the PSK body a box-shaped channel ( 10 ) whose width ( 9 ) corresponds to the width of the exit surface B (3). In the channel flows a cooling fluid, which additionally assumes the following tasks according to the invention or has properties: 1. The fluid is transparent to the photovoltaically relevant radiation component. 2. The refractive index of the fluid is either equal to or greater than that of the PSK body (if the refractive index is the same, the rays are as if the whole PSK were made of the same basic material, and if the refractive index is larger, the rays impinge steeper on the radiation receiver (PV module) The fluid is electrically insulating 4. The fluid remains fluid over a wide temperature range (typically -30 ° C ≤ t ≤ 150 ° C).

Weitere Auswahlkriterien sind: ungiftig, photostabil und nicht brennbar.Further Selection criteria are: non-toxic, photostable and non-flammable.

Die Dimensionierung des Kanals erfolgt nach den bekannten Gesetzen der Hydrodynamik und des Wärmeüberganges so , daß eine minimale Pumpleistung zur Erzielung des gewünschten Kühleffektes aufgebracht werden muß.The Sizing of the channel is done according to the known laws of Hydrodynamics and heat transfer so that one minimum pumping power to achieve the desired cooling effect are applied got to.

5 zeigt eine erfindungsgemäße Variante, bei der nur noch die Wände des PSK aus transparenten Platten eines festen Materials (z.B., P.M.M.A. oder Glas) bestehen, während das Volumen von der optischen Immersions- und Kühlflüssigkeit ausgefüllt wird. Dabei stellt (11) die Flüssigkeit dar, (12) die plattenförmige Wände. Diese Variante kann besonders vorteilhaft sein, wenn spezielle Transmissionseigenschaften für das Sonnenlicht gewünscht werden. Zur Vermeidung von Totalreflexionen dürfen die Unterschiede zwischen der Brechzahl des Wandmaterials und dem der Flüssigkeit nicht zu groß sein. Beachtet man dies, so werden die einfallenden Strahlen von System Platte – Flüssigkeit so gebrochen, als sei der ganze PSK aus einem Material aufgebaut, dessen optische Brechzahl dem arithmetischen Mittel der Brechzahl der Wand und dem der Flüssigkeit entspräche. 5 shows a variant of the invention, in which only the walls of the PSK from transparent plates of a solid material (eg, PMMA or glass) exist, while the volume is filled by the optical immersion and cooling liquid. It turns ( 11 ) the liquid ( 12 ) the plate-shaped walls. This variant can be particularly advantageous if special transmission properties for sunlight are desired. To avoid total reflections, the differences between the refractive index of the wall material and that of the liquid must not be too great. Considering this, the incident rays of the system plate - liquid are refracted as if the whole PSK were made of a material whose optical refractive index corresponded to the arithmetic mean of the refractive index of the wall and that of the liquid.

Will man mit dem bisher geschilderten stationären PSK System höhere mittlere Jahreskonzentrationen als ca. 2,6 erreichen, bleiben erfindungsgemäß zwei Möglichkeiten: 1. Die Wahl von Materialien höherer optischer Brechzahl. 2. Die Einführung dynamischer Komponenten.Want one with the previously described stationary PSK system higher average Reach annual concentrations of about 2.6, two possibilities remain according to the invention: 1. The choice of materials higher optical refractive index. 2. The introduction dynamic components.

Während die erste Bedingung eine Funktion des Preises und/oder der vorgängig an die Flüssigkeit gestellten Bedingungen ist, eröffnen sich für die Bedingung 2 erfindungsgemäß verschiedene Möglichkeiten, deren wichtigste im Folgenden dargestellt wird.While the first condition is a function of the price and / or the advance the liquid conditions is open for the condition 2 different according to the invention Options, the most important of which is presented below.

In 6 ist ein PSK mit optisch schaltbaren „Hut" dargestellt. Erfindungsgemäß sitzt hierbei auf einem bisher geschilderten PSK ein Aufsatz, dessen Querschnitt ein gleichschenkeliges Dreieck bildet, das aus durchsichtigen Platten (13) gebildet wird, und das in der Mitte durch einen senkrecht auf der Eintrittsapertur von (1) stehenden Planspiegel (14) unterteilt ist. Eine der durch diesen Spiegel aufgeteilten gleich großen Kammern ist mit einer optischen Flüssigkeit (15) gefüllt, die mittels der Pumpe (16) wahlweise in die andere Kammer gepumpt werden kann. Der Sinn dieser Anordnung kann anhand der Strahlengänge (17), (17a) und (17b) erkannt werden. Wird beispielsweise die linke Kammer mit einer Flüssigkeit der Brechungszahl 1,46 gefüllt, so werden die Strahlen 17 – 17b, die den Höchststand der Sommersonne repräsentieren aufgrund der Neigung der linken „Huthälfte" und der Brechung in der Flüssigkeit tief in den PSK gelenkt. Die auf die rechte luftgefüllte Huthälfte treffenden Strahlen werden durch den Reflektor in den PSK gelenkt. Eine solche Anordnung mit erfindungsgemäßen schaltbaren optischen Umlenker, kann, obwohl der Gesamt-PSK statisch ist, die mittlere Jahreskonzentration auf 4 erhöhen.In 6 A PSK with an optically switchable "hat" is shown in accordance with the invention, and according to the present invention, an attachment, the cross section of which forms an isosceles triangle consisting of transparent plates (FIG. 13 ) formed in the middle by a perpendicular to the entrance aperture of ( 1 ) plane mirror ( 14 ) is divided. One of the chambers of equal size divided by this mirror is equipped with an optical fluid ( 15 ) filled by the pump ( 16 ) can optionally be pumped into the other chamber. The meaning of this arrangement can be determined by the beam paths ( 17 ) 17a ) and ( 17b ) be recognized. If, for example, the left chamber is filled with a liquid of refractive index 1.46, the rays become 17 - 17b representing the peak of the summer sun, due to the inclination of the left "half-half" and the refraction in the liquid, are directed deep into the PSK The rays striking the right-hand air-filled hemisphere are directed by the reflector into the PSK Although the overall PSK is static, the average annual concentration can be increased to four.

Eine weitere, erfindungsgemäße Maßnahme zur Erhöhung der mittleren Jahreskonzentration eines PSK ist in 7 dargestellt. Dabei stellt (18) einen jeweils voll vertikal ausfahrbaren beziehungsweise einfahrbaren Planspiegel dar, der je nach Sonnenstrahleinfallsrichtung längs der rechten oder linken Kante der PSK Eintrittsapertur hoch- oder heruntergefahren wird. Die Höhe des Spiegels (18) ist so ausgeführt, daß die äußeren Extremstrahlen (19) (jeweils zum Wintertiefstand bzw. Sommerhöchststand) gerade noch auf den gegenüberliegenden Rand der PSK Eintrittsapertur (2) treffen. Während des Sommerhalbjahres ist der rechte Spiegelstreifen hochgefahren, der linke eingezogen, während des Winterhalbjahres ist es umgekehrt. Über das Jahr gemittelt wird ein solcher mit saisonal ausfahrbaren Planspiegeln ausgerüsteter PSK eine Konzentrationserhöhung um den Faktor 2^½ = 1,4 aufweisen. So kann beispielsweise der mittlere Konzentrationsfaktor des in 2 dargestellten PSK durch Ergänzung mit den beschriebenen Planspiegelboostern von C = 2,6 auf c = 3,6 erhöht werden, der der PSK-Variante aus 6 von c = 3,9 auf c = 5,5.Another measure according to the invention for increasing the mean annual concentration of a PSK is in 7 shown. It turns ( 18 ) is a respective fully vertically extendable or retractable plane mirror, which is depending on Sonnenstrahleinfallsrichtung along the right or left edge of the PSK entrance aperture up or shut down. The height of the mirror ( 18 ) is designed so that the outer extreme beams ( 19 ) (in each case to the winter depression or summer peak) just on the opposite edge of the PSK entry aperture ( 2 ) to meet. During the summer half-year, the right-hand mirror strip is raised, the left-hand retracted, during the winter half-year, it is reversed. Averaged over the year, such a PSK equipped with seasonally extendable flat mirrors will have a concentration increase by a factor of 2 ^½ = 1.4. For example, the mean concentration factor of the 2 PSK shown by supplementing with the described Planspiegelboostern of C = 2.6 to c = 3.6 are increased, the PSK variant 6 from c = 3.9 to c = 5.5.

Die mit 6 und 7 dargestellten PSK Varianten sind Ergänzungen zur rein statischen Grundvariante bei denen der eigentliche PSK ortsfest bleibt. Gestattet man jedoch eine kontinuierliche Drehung des Gesamt PSK um die Ost-West Achse. So entsteht eine dritte erfindungsgemäße Variante mit besonderen Vorteilen.With 6 and 7 PSK variants shown are additions to the purely static basic variant in which the actual PSK remains stationary. However, one allows a continuous rotation of the total PSK around the east-west axis. This creates a third variant according to the invention with particular advantages.

Wie aus 8 hervorgeht, kann ein solcher, mit einem flachen „Hut" (21) versehener PSK aus P.M.M.A. (n=1,5) aufgrund der über das ganze Jahr in der Bildebene parallel zur Mittelachse (20) einfallenden Strahlung, das Licht kontinuierlich mit dem Konzentrationsfaktor c=6 verdichten (c= Fläche (2)/Fläche (3)). Ein aus dieser Version des PSK aufgebautes, komplettes Dachelement ist in 9 schematisch in der Seitenansicht dargestellt. Es besteht aus parallel nebeneinander angeordneten, drehbaren PSK Elementen (1), die zwischen zwei transparenten Scheiben (26), (27) untergebracht sind. Das Kühlfluid fließt jeweils kurz vor dem Ende eines PSK aus dem Kanal (10) oberhalb des Solarmoduls (9) über eine Steigleitung (22) zum als Hohlwelle ausgeführtem Abflußrohr (23), das gleichzeitig als Drehachse des PSK ausgeführt ist, und mündet in das Sammelrohr (23a). Die an diesen Drehachsen befestigten Zahnräder (24) werden simultan durch die motorisch angetriebene Zahnstange (25) mittels der Signale eines kleinen, auf der Spitze eines PSK angebrachten Sonnenrichtungssensors (28), immer in Sonnenrichtung gedreht.How out 8th can be one with a flat "hat" ( 21 PSK made of PMMA (n = 1.5) due to the year-round image plane parallel to the central axis ( 20 ) incident radiation, the light continuously with the concentration factor c = 6 compress (c = area ( 2 )/Area ( 3 )). A complete roof element constructed from this version of the PSK is in 9 schematically shown in the side view. It consists of parallel juxtaposed rotatable PSK elements ( 1 ) between two transparent panes ( 26 ) 27 ) are housed. The cooling fluid flows out of the channel just before the end of a PSK ( 10 ) above the solar module ( 9 ) via a riser ( 22 ) to run as a hollow shaft drainpipe ( 23 ), which is simultaneously designed as the axis of rotation of the PSK, and opens into the collecting tube ( 23a ). The gears attached to these axes of rotation ( 24 ) are simultaneously controlled by the motor-driven rack ( 25 ) by means of the signals of a small solar direction sensor mounted on the tip of a PSK ( 28 ), always turned in the sun.

Besonders vorteilhaft bei dieser Variante des PSK ist die über das Jahr konstante Lichtkonzentration und die Möglichkeit, im weiten Elevationswinkelbereich der Sonne nachzufahren. Dies ermöglicht insbesondere die Montage in Dachflächen, deren Neigungwinkel stark vom Winkel der jeweiligen geographischen Breite abweichen.Especially advantageous in this variant of the PSK is the constant light concentration over the year and the possibility tracing the sun in the wide elevation angle range. This allows in particular the installation in roof areas, whose angle of inclination is greatly different from the angle of the respective geographical Width differ.

Unter Berücksichtigung der entsprechenden Schattenabstände kann die nachgeführte Variante auch im Tagesgang über die Nord- Südachse nachgeführt werden.Under consideration the corresponding shadow distances can the tracked Variant also in the daily routine over the north-south axis tracked become.

Alle beschriebenen erfindungsgemäßen PSK-Systeme erfüllen die Eingangs beschriebenen Kriterien der Multifunktionalität. Bei der letztbeschriebenen Variante kann durch Herausdrehen der PSK-Elemente aus der Normalen zur Sonne wahlweise praktisch der gesamte, auf die Eintrittsapertur fallende Lichtstrom in Form von diffusem Licht in den darunterliegenden Raum gelenkt werden. Dies kann beispielsweise für Pflanzenkulturen interessant sein, die zu bestimmten Zeiten eine hohe Lichtintensität benötigen.All described PSK systems according to the invention fulfill the input described criteria of multifunctionality. In the last-described variant can by unscrewing the PSK elements from the normal to the sun either practically the whole, up the entrance aperture falling luminous flux in the form of diffused light be steered into the space below. This can be, for example for crops be interesting, which require a high light intensity at certain times.

Neben der beschriebenen, wirtschaftlich besonders interessanten kombinierten Erzeugung von elektrischem Strom, Wärme und diffusem Licht sind insbesondere Varianten interessant, die Wärme und Licht liefern.Next the described, economically particularly interesting combined Generation of electric power, heat and diffused light are in particular Variants interesting, the heat and deliver light.

In 10 ist ein PSK mit einem thermischen Absorber schematisch dargestellt. Dabei liegt unterhalb des Fluidkanales (10) statt einem photovoltaischen Moduls ein schwarzer Absorber (29), der die durch das Fluid durchdringende, vom PSK verdichtete Strahlung in Wärme umwandelt und diese an das Fluid, das über die Leitung (22) zum Abflußrohr (23) fließt, abgibt. Besonders vorteilhaft ist es, die schwarze Absorberplatte unterhalb des nach unten mit einer transparenten Platte abgeschlossenen Fluidkanales (10), seitlich verschieblich anzuordnen. Dies gestattet es erfindungsgemäß bei der Position (29a) der Absorberplatte auch den direkten Lichtfluß in das Gebäude dringen zu lassen. Dies kann stufenweise geschehen, so daß additiv zu dem aus den Seitenwänden des PSK dringenden Diffuslichtes eine gewünschte Menge „Direktlichtes, das durch die Reflexionsvorgänge im PSK „quasi-diffus" wurde, hinzugefügt würde.In 10 a PSK with a thermal absorber is shown schematically. It lies below the fluid channel ( 10 ) instead of a photovoltaic module, a black absorber ( 29 ), which converts the fluid-penetrating, PSK-compressed radiation into heat and these to the fluid flowing through the conduit (FIG. 22 ) to the drainpipe ( 23 ) flows, gives off. It is particularly advantageous, the black absorber plate below the closed down with a transparent plate fluid channel ( 10 ), laterally displaceable. This allows according to the invention at the position ( 29a ) to let the absorber plate also the direct flow of light into the building. This can be done in a stepwise manner so that, in addition to the diffuse light coming from the sidewalls of the PSK, a desired amount of "direct light" quasi-diffused by the reflections in the PSK would be added.

In 11 ist eine weitere Verbesserung der Form des PSK dargestellt. Es besteht aus einem Keil mit einem facettenförmigen Aufsatz. Hier kann die Dauerkonzentration den Faktor 3 bei der stationären Variante erreichen und bei der nachgeführten Variante den Faktor 10.In 11 is presented a further improvement in the shape of the PSK. It consists of a wedge with a faceted attachment. Here, the permanent concentration can reach the factor 3 for the stationary version and the factor 10 for the tracked variant.

Claims

Prism Stump Wedge (PSK) to Concentrate Sunlight characterized in that all within a defined Divergenzwinkelbereiches on the large surface area of the aperture PSK falling rays due to total reflections at the interface between the PSK flanks and the ambient air and additional reflective reflections in the End area of the PSK can be projected onto the smaller exit area.

PSK according to claim 1, characterized in that all the rays which fall at a greater than the defined divergence angle on the entrance aperture, leave the side edges of the PSK and the underlying space as a diffused light to To be available.

PSK according to claim 1, characterized in that in the Plane of the exit surface a radiation receiver and converter is appropriate.

PSK according to claim 1, 3, characterized that the Radiation converter generates either electrical or thermal energy, or a combination of both.

PSK according to claim 1, 3, 4 characterized in that that directly above the radiation transducer in the material of the PSK a channel is executed, that of a transparent fluid of the same or a higher refractive index as the material of the PSK is flowing through.

PSK according to claims 1, 4, 5, characterized that the Radiation converter is a photovoltaic module.

PSK according to claim 5, 6, characterized that this Fluid fulfills the following functions: cooling the PV module, optical adjustment and electrical insulation.

PSK according to claim 1, 5, characterized that the Radiation converter generates only thermal energy and this the Bottom of the channel made black is.

PSK according to claim 8, characterized in that the bottom of the channel is designed as a laterally displaceable plate and in this way a desired one Proportion of concentrated light through the transparent channel bottom into the room below.

PSK according to claims 1 - 9, characterized that this System is fixed, showing the aperture area to the south and opposite to the Horizontal has a tilt angle, the local Latitude as possible exactly corresponds.

PSK according to claim 10, characterized in that the middle Annual concentration of the inpatient Concentrator through a seasonal hydraulically switchable optical attachment is increased.

PSK according to claim 10 and 11, characterized that the mean annual concentration of the stationary concentrator by vertical moveable, left and right on the PSK mounted plane mirror is additionally reinforced.

PSK according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. characterized in that the to the south aligned optics about an axis of rotation lying in the east-west axis can be adjusted continuously in their elevation.

PSK according to claim 13, characterized in that to increase the Concentration and foreshortening of the element on the aperture surface suitable, executed in cross-section as an equilateral triangle essay sitting.

PSK according to claim 13, characterized in that the cooling fluid to the collecting pipe and laxative Line as rotary axis for the PSK serves.

PSK according to claim 15 and 13 characterized that many, parallel mounted optics with the aid of a solar direction sensor via a motor-driven rack and arranged around the axes of rotation gears always be aligned perpendicular to the elevation vector of the sun.

PSK according to claim 13, 14, 15, and 16 by characterized in that flat parallel rotatable juxtaposed individual PSKs between two transparent discs are arranged, and thus as multifunctional Roof, facades and window elements serve.

PSK according to claims 1 - 17, characterized that the PSK walls consist of transparent panels and the interior of the hollow body thus formed with a suitable liquid filled is.