DE19646239A1 - Lichtkonzentrator-Trapezoidprofil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konzentration oder zur Verteilung von Licht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-A-103 721 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, welche eine flächige Prismenanordnung aus vielen im wesentlichen parallelogramförmigen Profilen enthält, wodurch bewirkt wird, daß jeder die Vorrichtung durchlaufende Lichtstrahl an den zwei Eintritts-/Austritts-Grenzflächen der Prismenanordnungen in gleichem Drehsinn gebrochen bzw. an der Grenzfläche zum benachbarten Prisma reflektiert wird, wobei die Reflexionsrichtung ebenfalls in gleichem Drehsinn erfolgt wie die vorgenannten Lichtbrechungen. Die Gesamtbeugung aller die Vorrichtung durchlaufender Lichtbündel führt zu einer Konzentration der austretenden Lichtbündel auf einer wesentlich kleineren Fläche. Die in der DE-A-103 721 beschriebene Anwendung arbeitet jedoch in entgegengesetzter Richtung als Lichtverteiler.

Aus der DE 42 08 006 resp. EP-A 0 560 107 B1 ist eine weitere gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, welche eine erste, flächige Prismenanordnung aus vielen im wesentlichen prismatischen Profilen und eine zweite, gleichartige Prismenanordnung aufweist, wobei die zweite Prismenanordnung in konstantem Abstand zur ersten Prismenanordnung angeordnet ist. Jedem Profil der ersten Prismenanordnung ist ein Profil der zweiten Prismenanordnung zugeordnet, wodurch bewirkt wird, daß jeder die Vorrichtung durchlaufende Lichtstrahl an mindestens zwei Grenzflächen der beiden Prismenanordnungen in gleichem Drehsinn gebrochen wird. Die Gesamtheit des einfallenden gerichteten Lichts wird in der Vorrichtung in sehr flachem Winkel zu dieser, abwechselnd nach den beiden Austriftsrichtungen umgelenkt, wobei auf Grund des flachen Winkels eine Konzentration erfolgt, welche schließlich neuen Zwecken u. a. der Energieumwandlung zugeführt wird.

Die genannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß sie im Vergleich mit der vorliegenden Erfindung nur mit vergleichsweisem hohem technischen Aufwand hergestellt werden können und die material-abhängigen Brechungsindexe zumeist eigene Werkzeuge erfordern. Auch lassen sich die verschiedenen Prismenprofile nicht mit vertretbarem Aufwand aus einem Werkzeug allein erzeugen, so daß sich die Herstellungskosten entsprechend multiplizieren.

Die zu lösende Aufgabe besteht daher darin, das Prinzip der Erfindung so weiterzubilden, daß bei gleichbleibender oder besserer Qualität gegenüber des Patents EP-A 0 560 107 B1 die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden können.

Gelöst wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkinalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind aus den Unteransprüchen ersehbar. Eine frühere deutsche Patent­ erteilung, als mögliche Entgegenhaftung anführbare Vorrichtung ist nach DE-A-103 721 bekannt. In diesem Patent ist eine gattungsgemäße Profilform (Fig. 1) aufgeführt, deren gegenüberliegende Grenzflächen planparallel ausgeführt sind und daher eine Parallelo­ grammform als Querschnittsflächen aufweist. Das Konzept dieser Erfindung ist primär auf die Anwendung als Lichtumlenkung mit Lichtverteilung ausgelegt und verwendet daher bewußt ein technisch einfacher herzustellendes Profil mit parallelogrammatischer Querschnittsfläche, welche ganz offensichtlich zur Erzielung ebener Oberflächen gewählt wurde, da in dieser Verwendungsrichtung andere Ausbildungen ohne besondere Bedeutung wären.

In der Anwendung als Lichtkonzentrator würde diese parallelogrammförmige Quer­ schnittsform jedoch zu erheblichen Verlusten in der Bilanz des zu konzentrierenden Lichtstromes führen, da Teilmengen der Strahlenbündel nicht in der vorgesehenen Weise das Prismenprofil passieren, sondern an weiteren Grenzflächen auftreffen und damit diese Teil­ lichtströme in andere als die gewünschten Richtungen ablenken. Die neue technische Lehre der Erfindung besteht daher im wesentlichen darin, die Prismenform so zu gestaken, daß möglichst wenig Anteile des Lichtstroms verloren gehen und eher noch einen gewissen Toleranzbereich entstehen lassen, mit dem sowohl vertretbare herstellungsbedingte Qualitäts­ einbußen aufgefangen werden können, als auch geringe Einfallswinkelabweichungen der zu sammelnden Globalstrahlung (z. B. durch Rütteln auf Grund von Windeinwirkung, oder der ohnehin auftretenden stetigen Abweichung vom idealen Einfallswinkel durch Drehung der Erde) in gewissen Grenzen kompensiert werden können. Damit kann auf eine stetige Nach­ führung verzichtet und statt dessen energiesparend ruckweise in bestimmten Zeitabständen dem Sonnenstand nachgeführt werden. Fig. 4 bis Fig. 7 zeigen die Problematik der Probleme anschaulich dar. Bei einem angenommenen gleichen Neigungswinkel a (in den Fig. 4, 5) der Parallelogrammkanten 3 und 4 zueinander, wird in Fig. 4 ein kürzeres Verhältnis zwischen den Längs- und Breitenkanten gezeigt: Teile des Lichtstroms fallen ohne Beugung senkrecht durch das Prismenprofil 12 und gehen verloren. In Fig. 5 ist das Kantenverhältnis zu groß: Teile des Lichtstromes werden von der Grenzfläche 4 zur Grenzfläche 4' reflektiert und von dort nach unten reflektiert 13 und gehen ebenfalls verloren. Es ist praktisch unmöglich das Parallelogramm so zu bestimmen, daß keine Verluste entstehen. Eine stärkere Neigung des Profils zum Lichteinfalls (Fig. 6) erzeugt den gleichen Effekt. Würde man das Profil zur Einfallsrichtung des Lichtstromes neigen (Fig. 7), würde man die beschriebenen Verluste 13 reduzieren, die Verluste 12 würden erhöht und man erhielte noch zusätzlich einen unbe­ friedigenden Konzentrationsgrad, da eine ausreichende Gesamtbeugung des Lichtstromes nicht mehr erzielt werden könnte.

Die Ausführung der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Darin bezeichnen gleiche Bezugszahlen einander entsprechende Bauteile, Bezeichnungen bzw. Orte. Es zeigen:

Fig. 1 einen vergrößerten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Prismenanordnung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine mögliche Ausführung einer Vorrichtung zur Konzen­ tration von Sonnenlicht mit dem Hauptzweck elektrische Energie und Wärme zu gewinnen.

Fig. 3 eine mögliche Variante eines Profilquerschnitts mit dem Ziel besserer Lichtausbeute.

Fig. 1 gibt einen Überblick über das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung. Das Pris­ menprofil 1 ist im Querschnitt ein länglich gestaltetes Trapez dessen Längskanten 4 und 4' im Grundsatz planparallel verlaufen. Die beiden anderen Kantenflächen 3 bzw. 7 nehmen bestimmte Neigungswinkel zu den Kantenflächen 4 bzw. 4' ein. Die längere Kantenfläche 4 (sowie 4') nimmt einen bestimmten Neigungswinkel zur Ebene des einfallenden Lichtstrahlen­ bündel 2' ein und lenkt das an der Grenzfläche 3 leicht gebrochene Licht 5 zur Grenzfläche 4 und durch innere Totalreflektion 6 zur Grenzfläche 7. Dort wird es beim Übergang zum dünnen Medium Luft nach den Lichtbrechungsgesetzen im gleichen Drehsinn wie an den Grenzflächen 3 und 4 weiter gebeugt (8), so daß das Strahlenbündel 8' in einem sehr flachen Winkel, zur Ebene der stapelförmigen Anordnung aus sehr vielen solcher Prismenprofil­ einheiten, austritt.

Die Neigung der Grenzfläche 3 zur Lichteinfallsebene 2' hat eine entscheidende Funktion bei der Erfindungsidee, da die an dieser Grenzfläche 3 erzielte Lichtbeugung dazu führt, daß die Strahlenbündel 5 in einem flacheren Winkel auf die Grenzfläche 4 auftreffen, als dies der Fall wäre, wenn die Grenzfläche 3 parallel zur Grenzfläche 7 verliefe. Diese erste Beugung an der Grenzfläche 3 und die damit geringere Totalreflexion an der Grenzfläche 4, führt dazu, daß der gesamte Lichtstrom der über die Grenzfläche 3 in das Prismenprofil eindringt, (von den inneren Verlusten einmal abgesehen) an der Grenzfläche 7 ankommt, wo er nach den Fresnel­ schen Gleichungen beim Verlassen des Prismenprofils die endgültige Umlenkung erfährt.

Durch geeignete Wahl der Abmessungsverhältnisse des Prismenquerschnitts und der Neigung der Prismenprofile zur Lichteinfallsebene, wird erreicht, daß die Grenzfläche 7 zu einem etwas kleineren Teil von dem Lichtbündel 6 benetzt wird und damit einen gewissen Toleranzbereich erzeugt, der es gestattet eine geringe Abweichung der konstruktionsbestimmten Prismen­ profilneigung zur Lichteinfallsrichtung, entweder für Fertigungstoleranzen oder bewußt zur Justage auszunutzen. Die Möglichkeit die Konzentratorvorrichtung ruckweise (in adequaten Zeitintervallen) dem Energielieferanten nachzuführen profitiert von diesem Toleranzbereich.

Da diese Funktionsweise für alle einzelnen Prismenprofile gilt, akkumulieren sich alle aus­ tretenden Strahlenbündel 8' auf einer gemeinsamen aber deutlich kleineren Fläche 9 als der Summe der einfallenden Strahlenbündel 2' siehe Fig. 2. Die Projektionsfläche 9 kann mit einem photovoltaischen Solarelement belegt sein.

Durch Knicken der Stapelanordnung an mehreren Stellen 11, kann die Projektionsfläche 9 weiter verkleinert werden, in dem die Teilstapel 1' einen kleinen Winkel zueinander ein­ nehmen. Anstatt der mit Knicken ausgeführten Stapelanordnung mit einheitlichen Prismen­ profilen, können auch Stapelanordnungen (Arrays) in ebener Bauweise mit unterschiedlicher Gestaltung der Profilformmaße und damit unterschiedlicher Strahlablenkung ausgebildet sein.

Durch geeignete Bestimmung der Maßverhältnisse des Prismenprofils können die Ergebnisse auf das gewünschte Ergebnis optimiert werden, wobei man durchaus mit einer einzigen Form auskommen kann. Die Länge der Prismenprofilstäbchen wird auf praktikable und an die jewei­ ligen Anwendungsfälle angepaßten Maße zugeschnitten. Ebenso sind die Querschnittsmaße auf geringsten Materialverbrauch bei optimalen Festigkeitswerten zu bestimmen.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausbildung erhöht die Ausbeute des einfallenden Lichtstroms. Das nach rechts erweiterte Profil vergrößert die Grenzfläche 3 als Lichtsammelfläche. Ohne diese Erweiterung würde dieser gewonnene Lichtstromteil auf die vom nächsten Prismenprofil nicht abgedeckte Flächenteil der Grenzfläche 4' fallen und andere Wege durch das Prismenprofil nehmen. Der hinzugewonnene Lichtstrom reduziert den beschriebenen Toleranzbereich, was jedoch durch Neubestimmung der Querschnittsmaße kompensiert werden kann.

Claims (6)

1. Vorrichtung (1') zur Konzentration oder zur Verteilung von Licht (2, 2') mit einer flächigen Prismenanordnung (1') aus vielen, im wesentlichen im Querschnitt trapezförmig ausgebildeten Prismenprofilen (1), welche in bestimmungsgemäßer Schräglage aneinander gereiht sind, daß Lichtstrahlbündel (2') die weitgehend senkrecht zur flächigen Anordnung (1') der Prismenprofile (1) auf deren Grenzfläche (3) auftreffen dort wegen deren Neigung zur Einfallsrichtung der Lichtstrahlen (2) leicht gebrochen (5) zur Grenzfläche (4) abgelenkt werden und auf Grund der flachen Auftreffwinkel auf diese Grenzfläche (4) durch Totalreflexion im gleichen Drehsinn (6) zur Grenzfläche (7) weitergeleitet und dort beim Austritt in das dünnere Medium Luft nochmals im selben Drehsinn (8) gebrochen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Profile und deren trapezähnliche Querschnittsform so ausgebildet sind, daß die Strahlenbündel (2') beim Durchlaufen der Prismenprofile so abgelenkt werden, daß sie im überwiegenden Maße nur die Grenzflächen (3, 4, und 7) berühren, jedoch nicht die Grenzfläche (4') und somit als Strahlenbündel (8') zur Prismenanordnung (1') einen möglichst spitzen Winkel bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenprofile zu einstückigen Platten 1' gebündelt und die Grenzflächen (7) zu einer einheitlichen glatten Fläche angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die prismatischen Profile (1) im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die dem Strahlenbündel (2) zugewandte Ecke (10) gemäß Fig. 3 erweitert ist, um die Strahlungsausbeute zu erhöhen.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der prismatischen Profile (1) ihre Querschnittsabmessungen um mindestens eine Größenordnung übersteigt.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch leicht geneigte Anordnung (11) einer begrenzten Zahl von einstückigen Platten aus gebündelten Prismenprofilen zueinander im Sinne von Fig. 2, oder durch stetige Formgebung ähnlich eines Flugzeugflügelprofils eine weitere Erhöhung des Konzentrationsfaktors erzielt werden kann.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch spiegelbildliche Anordnung zweier Prismenanordnungen gemäß Fig. 2 zur Symetrieachse (14) in der Nähe der gemeinsamen Projektionsfläche (9) eine weitere Verdoppelung des Konzentrationseffektes erzielt wird.