DE19937448A1

DE19937448A1 - Statischer Konzentrator

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Publication number: DE19937448A1
Application number: DE19937448A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-07
Filing date: 1999-08-07
Publication date: 2001-02-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen statischen Konzentrator. Statische Konzentratoren dienen der Konzentration von Sonnenlicht auf ein vorbestimmtes Volumen. Dadurch, daß der Konzentrator Licht mit einem Öffnungswinkel von größer als 20 Prozent konzentriert, ist der statische Konzentrator in der Lage, neben Direktstrahlung auch die Diffusstrahlung zu konzentrieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen statischen Konzentrator. Statische Konzentratoren dienen der Konzentration von Sonnenlicht auf ein vorbestimmtes Volumen.

Insbesondere in der Photovoltaik-Technik besteht ein großer Bedarf an Konzentratoren. Ob wohl der Preis für die sogenannten Solarzellen in den letzten Jahren deutlich gesunken ist, ist der Solarstrom immer noch etwa 2-5 mal teurer (je nach Berechnungsart) als der aus herkömmlichen Kraftwerken erhältliche. Auf dem Markt befindliche Solarzellen könnten prinzipiell einer erheblich größeren Lichtdichte ausgesetzt werden. Die Grenze wird dabei im wesentlichen nur durch die Wärmeentwicklung aufgrund von nicht in Strom umgewandelter Energie bestimmt. Würde eine Solarzelle beispielsweise mit einer etwa drei mal größeren Lichtdichte belastet, so könnte mit der selben Solarzelle in etwa die dreifache Strommenge erzeugt werden. Die Solarstromerzeugungskosten wären dann erheblich niedriger und könn ten mit herkömmlichen Kraftwerksstrom konkurrieren.

Um die Lichtdichte zu erhöhen, kommen bereits statische Konzentratoren zum Einsatz. Da bei wird die einfallende, direkte Strahlung mittels einer Optik auf eine Solarzelle konzentriert.

Als Optik kommen bereits sowohl abbildende Systeme (z. B. klassische Linsen, Fresnellin sen aber auch Hohlspiegel) als auch nicht abbildende Systeme (z. B. 3D-θ_in/θ_out-Konzentrato ren) zum Einsatz.

Obgleich mit einer Optik meist nur ein Wirkungsgrad bis zu 80-90% erzielt wird, kann die Lichtdichte dadurch dennoch gesteigert werden.

Diese Konzentratormodule sind jedoch nur in der Lage, direktes Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Der Diffusanteil des Sonnenlichts kann jedoch durchaus bis zu 50% betragen, d. h. mit den bekannten Konzentratoren kann nur zwischen 50 und maximal 90% der Gesamtsolarstrahlung konzentriert werden. Aus diesem Grunde sind bereits nachge führte Systeme auf dem Markt, die Solarzelle samt Konzentrator entsprechend dem Son nenverlauf ausrichten. Dadurch ist gewährleistet, daß das Verhältnis von Direktstrahlung zu Gesamtstrahlung optimiert wird. Dennoch kann auch hier die Diffusstrahlung nicht genutzt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen statischen Konzentrator bereitzustellen, der in der Lage ist, neben Direktstrahlung auch Diffusstrahlung zu konzen trieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Konzentrator Licht mit einem Öffnungswinkel von größer als 20% konzentriert. Dadurch kann ein nicht unerheblicher Teil des Diffuslichtes konzentriert werden. Besonders bevorzugt ist es, einen noch größeren Öffnungswinkel zu verwirklichen in dem einfallendes Licht konzentriert wird.

Dies ist beispielsweise durch eine vereinfachte Weitwinkel-Konstruktion aus mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier, Linsen erreichbar. Auch wenn ein möglichst großer Öffnungs- bzw. Bildwinkel erwünscht ist, so ist es selbstverständlich erfindungsgemäß auch möglich, kleinere Bildwinkel zu wählen. Dies kann für Anwendungsfälle von Vorteil sein, bei denen z. B. aus geometrischen Gründen nur ein begrenzter Öffnungswinkel notwendig ist.

Eine besonders preisgünstige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht die Ver wendung von Fresnellinsen vor.

Es kann aus Kostengründen eine Reduzierung der optischen Güte in Kauf genommen wer den, da es hierauf bei der hier beschriebenen Erfindung nicht ankommt. Abbildungsfehler und Farbfehler, die üblicherweise bei Weitwinkelsystemen durch die Verwendung von drei- und mehrlinsigen Systemen, die aus unterschiedlichen Glassorten bestehen und sowohl bre chende als auch streuende Linsenformen enthalten, kompensiert werden sollen, spielen bei dem statischem Konzentrator keine Rolle. Die Linsen können z. B. aus Kunststoff aber auch aus Glas sein.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß die optische Weitwinkelkonstruktion durch mindestens einen Hohlspiegel oder eine Parabol-Spiegelrinne ergänzt wird. Dadurch ist es möglich, das Volumen, auf welches das einfallende Licht kon zentriert wird, weiter zu reduzieren.

Eine weitere Vergrößerung des Öffnungswinkels kann dadurch erreicht werden, daß der Konzentrator mindestens einen optischen Körper aufweist, der in dem Strahlengang ange ordnet ist, wobei er vorzugsweise in Einfallrichtung vor der Weitwinkel-Konstruktion ange ordnet ist. Dabei ist der optische Körper derart auszuwählen und anzuordnen, daß der durchschnittliche Einfallswinkel des Lichts verkleinert wird. Dies wird durch die Lichtbre chung an den Grenzflächen optischer Körper/Luft verursacht. Bei gleichem Öffnungswinkel des Weitwinkel-Systems gelangt so eine größere Menge des Diffuslichts in das Fokussier volumen. Die optischen Körper können aus Kunststoff oder Glas sein.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der Konzen trator mindestens eine Streulinse aufweist, die in dem Strahlengang angeordnet ist, wobei sie in Einfallsrichtung nach der Weitwinkel-Konstruktion angeordnet ist. Die Streulinse er möglicht, daß das Licht, daß auf das Fokussiervolumen konzentriert worden ist, im wesent lichen parallel weitergeführt wird. Es kann dann beispielsweise senkrecht auf einen Solar wandler auftreffen, um die Leistungsausbeute zu erhöhen.

Eine andere erfindungsgemäße Lösung der eingangs gestellten Aufgabe sieht die Verwen dung eines Konzentrators mit einer Art "Trichterelement" mit verspiegelten Seitenwänden vor. Selbstverständlich kann das "Trichteretement" auch zusammen mit der Weitwinkel- Konstruktion verwendet werden.

Unter einem "Trichter" ist ein beliebiger Hohlkörper zu verstehen, der zumindest eine Öff nung für das einfallende Licht besitzt und sich in Lichtlaufrichtung verjüngt. Der "Trichter" kann selbstverständlich auch eine nicht lineare Verjüngung aufweisen. Da ein einfacher Trichter aus reflektierendem Material keine Fokussierungseigenschaften besitzt, sondern das einfallende Licht zurückstrahlt, sind vorzugsweise optische Körper in dem Trichter vorgese hen. Durch die Lichtbrechung an den Grenzflächen der optischen Körper kann das Licht zu der Hauptachse hin gebrochen werden, und der "Trichter" ist in der Lage, Licht zu fokussie ren.

Es hat sich gezeigt, daß nicht notwendigerweise ein reales Trichterelement vorhanden sein muß. Es ist vielmehr ebenso möglich, einzelne optische Elemente bzw. Körper so anzuord nen, daß es zu einem "Trichtereffekt" kommt. Das Licht trifft dabei auf geeignet angeord nete optische Körper auf, die das Licht in der Art brechen, daß es in einem Kanal (innerhalb des optischen Körpers) gesammelt und zum Konzentrationspunkt geführt wird.

Es kann eine weitere Öffnung in dem "Trichter" für das Austreten des Lichtes vorgesehen sein. Alternativ dazu, kann aber das Licht auch an einem Punkt in dem "Trichter" konzen triert werden. In diesem Fall wird ein Solarwandler zweckmäßigerweise am Konzentrations punkt angebracht. Es ist selbstverständlich auch möglich, das Licht mit geeigneten Hilfsmit teln aus der Öffnung, in die das Licht einfällt, wieder herauszuführen und außerhalb des Trichters zu nutzen.

Der Öffnungswinkel des Trichters kann nicht beliebig gesteigert werden, ohne die Effizienz des Trichterelements zu beeinträchtigen. Daher sieht eine besonders bevorzugte Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung vor, daß mehrere (mindestens zwei) Trichterelemente nebeneinander vorgesehen sind, die entweder auf den selben Fokussierungspunkt zuführen, oder ihrerseits in einen Trichter münden, der dann das von den verschiedenen Trichtern empfangenen Licht auf einen Punkt bzw. eine geringe Fläche konzentriert. Es versteht sich von selbst, daß diese Kaskadierung auch wiederholt durchgeführt werden kann.

Wie in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen noch deutlicher werden wird, ist ein vergrößerter Öffnungswinkel auch ohne eine Weitwinkelkonstruktion erreichbar. Das beschriebene Trichterelement oder der beschriebene optische Körper sind beispielsweise allein in der Lage, Diffuslicht zu konzentrieren.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der Querschnitt des Trichters (in Aufsicht) eine wabenförmige (sechseckige) Form hat. Dadurch ist gewährleistet, daß mehrere Trichter platzsparend nebeneinander angeordnet werden können, um das auf eine größere Fläche einfallende Sonnenlicht effektiv nutzen zu können. Selbstverständlich sind auch andere Querschnittsformen möglich (z. B. rund, rechteckig oder dreieckig). Je nach Anwendungsfall kann die am besten geeignete Querschnittsform ausgewählt werden.

Durch die vorliegende Erfindung kann das einfallende Sonnenlicht (Direktstrahlung und Dif fusstrahlung) auf eine geringe Räche konzentriert werden. Die bislang beschriebenen Aus führungsformen haben jedoch den Nachteil, daß sie eine nicht vernachlässigbare Bauhöhe aufweisen. Eine Verbesserung der vorliegenden Erfindung sieht daher vor, daß Elemente, welche die Hauptachse krümmen, im Strahlengang vorgesehen sind, so daß die Bauhöhe reduziert werden kann.

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der Konzentrator zur Erhitzung von Gas, vorzugsweise Luft verwendet wird. Es ist dann z. B. möglich, einen Heißluftmotor (z. B. Stirling-Motor) zu betreiben.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform sieht weiterhin eine Kühleinrichtung vor, die Konzentrator und/oder die optisch-elektrischen Energiewandler kühlt. Als Kühleinrichtung kann z. B. ein Kühlkörper dienen, der entweder zusätzlich angebracht ist, oder durch ein Gehäuse bzw. die Trichter der gesamten Anordnung gebildet wird.

Für besondere Anwendungsfälle ist es von Vorteil, wenn die vorliegende Erfindung in ein Halbleiterbauelement integriert wird. Der Konzentrator wird in diesem Fall bereits bei der Herstellung des Halbleiterbauelements verwirklicht. Dies hat den Vorteil, daß solche Bau elemente integrierte Schaltkreise energieautark betreiben können. Zudem sind solch miniatu risierte Elemente in vielen Bereichen einsetzbar.

Eine alternative Ausführungsform sieht vor, daß mehrere Konzentratoren in einer Art Array oder Panel zusammengefaßt werden und in einem Behälter angeordnet werden, der Wasser dicht verschlossen ist. Es ist dann möglich, daß Array zur Energieerzeugung auf einer Was serfläche schwimmend anzuordnen. Es können dann deutlich größere Rächen zur Energieer zeugung genutzt werden.

Es versteht sich, daß die obenerwähnte Weitwinkel-Konstruktion auch weggelassen werden kann. Wesentlich für die Erfindung ist es aber, daß neben der Direktstrahlung auch zumin dest ein Teil der Diffusstrahlung konzentriert wird. Selbstverständlich ist es wünschenswert, einen möglichst großen Anteil der Diffusstrahlung zu berücksichtigen. Durch eine Weitwin kel-Konstruktion oder durch die optischen Körper oder durch verspiegelte Flächen tritt je doch immer ein kleiner Strahlungsverlust auf. So kann es für manche Anwendungsfälle da her vorteilhaft sein, eine geringere Menge der Diffusstrahlung zu konzentrieren statt dessen aber die Strahlungsverluste gering zu halten. Je nach Anwendungsfall bzw. -ort ist daher ein Kompromiß zwischen großem Öffnungswinkel und möglichst kleinem Strahlungsverlust zu erzielen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der Beschreibung einiger bevorzugten Ausführungsformen und der dazugehörigen Zeichnungen. Es zeigen

Fig. 1 ein Konzentratorelement mit Solarzelle, Konzentrationsprisma, Fresnellinsen, Sammellinse und optischen Elementen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Strahlengangs durch die optischen Re mente von Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Strahlengangs durch eine vereinfachte Weitwinkelkonstruktion,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Strahlengangs durch eine vereinfachte Weitwinkelkonstruktion mit einer trichterförmig ausgebildeten Fresnellinse,

Fig. 4a eine bevorzugte Ausführungsform einer Weitwinkelkonstruktion,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Strahlengangs durch einen Absolutwert wandler,

Fig. 6 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines zusammengesetzten Konzen tratorelementes aus drei Folien,

Fig. 7 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines "trichterförmig" ausgebildeten Konzentrators aus optischen Körpern,

Fig. 8 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Konzentrators aus optischen Körpern,

Fig. 9 eine beispielhafte Anordnung von mehreren Konzentratoren bzw. Konzentra torelementen nebeneinander,

Fig. 10 einen Querschnitt durch ein Konzentratorelement und

Fig. 11 eine beispielhafte Anordnung von mehreren Konzentratoren mit gemeinsamer Lichtleitung und Kühlelement.

In Fig. 1 ist beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines Konzentratorelements ge zeigt. Es besitzt die fünf Schichten A, B, C, D und E. In Schicht E befindet sich die Solar zelle 1. Dies ist der Punkt an dem das einfallende Licht konzentriert wird. Es kann daher hier auch jedes andere Licht bzw. Wärme verarbeitende Element angeordnet sein.

In Schicht D ist ein radialsymmetrisches, außen verspiegeltes Konzentrationsprisma 2 mit freiem Durchgang in seinem Zentrum vorgesehen. D. h. senkrecht entlang der optischen Achse verlaufende Strahlen durchlaufen das Konzentrationsprisma durch seinen inneren Durchgang ohne eine Grenzfläche des Prisma zu durchqueren und somit ohne Strahlungs verlust.

In Schicht C dient eine Sammellinse 2a der Parallelisierung des einfallenden Lichts.

In Schicht B sind zwei Fresnellinsen 3 angeordnet, die für eine Strahlenbündelung sorgen.

Schicht A weist konzentrisch ausgeführte Keile 4 zur Strahlenausrichtung auf. Die Keilringe sind im wesentlichen immer paarweise mit umgekehrter Orientierung, d. h. die spitz zulau fenden Keilfüße 4a sind einander zugewandt, verbunden. Benachbarte Keilringpaare sind durch verspiegelte Flächen 5 getrennt, so daß die Keilrücken 4b jeweils an den verspiegel ten Flächen 5 anliegen.

Die Funktionsweise der Ringkeile wird aus Fig. 2 deutlich, die schematisch den Strahlen gang von Lichtstrahlen S mit einem Einfallswinkel von α, die durch den ringförmigen Keil 4 hindurchtreten, dabei gebrochen und an der verspiegelten Fläche 5 reflektiert werden und den Keil 4 mit dem Ausfallswinkel β wieder verlassen.

Der Lichtstrahl S wird bei Eintritt in den optischen Keil 4 zum Einfallslot hin gebrochen. Dies hat zur Folge, daß der Winkel zur optischen Achse kleiner wird. An der verspiegelten Wand 5 wird der Lichtstrahl dann reflektiert. Schließlich tritt der Strahl S wieder aus dem opti schen Keil aus. Dabei wird der Strahl vom Ausfallslot weg gebrochen. Dies führt jedoch aufgrund der Keilform dazu, daß der Strahl erneut in Richtung der optischen Achse gebro chen wird. Der Winkel β ist somit gegenüber dem ursprünglichen Einfallswinkel α reduziert. Die ringförmigen Keile funktionieren hierbei prinzipiell wie ein optisches Prisma.

Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 ist zu erkennen, daß der ringförmige Keil (Ring mit Keilquerschnitt) einen besonders gefertigten Querschnitt aufweist. Die längste Querschnittseite weist Abschnitte (in Fig. 2 mit den Bezugszahlen 6 und 7 bezeichnet) auf, die mit der optischen Achse O unterschiedliche Winkel einschließen. Wie ebenfalls in den Fig. 1 und 2 deutlich zu erkennen, nimmt der Winkel zwischen Keilfläche und optischer Achse O in Richtung des einfallenden Lichts ab. Diese Abnahme kann entweder allmählich erfolgen, so daß der Keil an dieser Seite eine konkave Krümmung aufweist, oder durch mindestens zwei Abschnitte (6, 7) die unterschiedliche Winkel zur optischen Achse O einschließen. Diese trickreiche Konstruktion sorgt dafür, daß für große Einfallswinkel α der effektive brechende Winkel des Keils größer ist als für kleinere Einfallswinkel.

Es ist für manche Anwendungsfälle von Vorteil, wenn die ringförmigen Keile nicht an allen Stellen an den verspiegelten Flächen anliegen. Eine geeignete Anordnung von mindestens einem Hohlraum zwischen Ringkeil und Spiegel kann lokal, aufgrund der zusätzlichen Grenz schicht zwischen optischem Körper und Luft, für eine Änderung der Reflexionswinkel sor gen.

Eine besonders kostengünstige Ausführungsform der Keilringscheibe sieht vor, daß dis Keile immer in gleicher Orientierung aneinandergereiht werden. Ein Keilelement wird dann von zwei verspiegelten Flächen eingeschlossen und nicht, wie in Fig. 1 gezeigt, zwei Keilele mente von zwei verspiegelten Flächen eingeschlossen werden. Dies ermöglicht eine einfa chere Herstellung der Schicht A in Fig. 1.

In diesem Fall ist es von Vorteil, die verspiegelten Flächen 5 nicht parallel zueinander anzu ordnen, so daß die verspiegelten Flächen 5 im wesentlichen Hohlzylinder bilden. Diese wei sen vorzugsweise vom Zentrum nach außen hin eine zunehmende Konizität auf, so daß sie eher die Form eines Hohlkegelstumpfes besitzen. Die verspiegelten Flächen sind besonders bevorzugt so angeordnet, daß sie sich in Lichtlaufrichtung erweitern.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Schicht aus mindestens einem, vorzugsweise aber mehreren, im wesentlichen kegel- oder pyramidenförmigen optischen Körper vorgesehen. Dabei kann die Grundfläche der Pyramidenform verschiedenste geometrische Formen, wie. z. B. dreieckig oder viereckig, annehmen. Für besondere Anwendungsfälle kann auch eine, vorzugsweise konisch, gekrümmte Oberfläche von Vorteil sein.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform gelingt es einen Einfallswinkelbereich (Winkel zwischen einfallendem Lichtstrahl und optischer Achse O) von ±90° auf etwa ±45° einzu engen. Durch die spezielle Ausbildung der Keilfläche und durch den konischen Verlauf der verspiegelten Fläche wird zudem erreicht, daß der weit überwiegende Anteil der Einfallswin kel auf einen Winkelbereich von ±25° eingeengt wird.

Durch die Ringkeilscheibe wird somit nahezu die gesamte eingestrahlte Leistung (Direkt strahlung und Diffusstrahlung) auf einen begrenzten Bereich von Einfallswinkeln reduziert.

Prinzipiell ist es möglich, den Winkelbereich durch weitere Ringkeilscheiben weiter einzu engen. Es ist dabei jedoch darauf zu achten, daß jede von den Lichtstrahlen durchlaufene Grenz- oder Reflektionsfläche die Lichtleistung etwas reduziert. Aus diesem Grund wurde bei der hier vorliegenden Ausführungsform auf eine zweite Ringkeilscheibe verzichtet.

Statt dessen schließt sich die mit B bezeichnete Schicht aus (mindestens) zwei Fresnellinsen 3 an. Diese führen zu einer weiteren Strahlenbündelung.

Alternativ oder ergänzend dazu können hier auch Sammellinsen oder ein Brennspiegel be nutzt werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht eine Sammellinse vor, die für jeden Keil ringbereich einen eigenen Fokussierungsbereich besitzt. In Fig. 1 müßten in diesem Fall vier Fokussierungs-Ringbereiche der Sammellinse vorgesehen sein.

Lichtstrahlen, welche die Solarzelle 1 verfehlen würden, werden hingegen durch das Konzentrationsprisma 2 abgelenkt und können die Solarzelle 1 daher doch noch erreichen.

Alternativ dazu kann der Konzentrationskörper auch aus einer Linse bestehen, die an ihren Randabschnitten derart gefertigt ist, daß sie als Sammellinse arbeitet, und in ihrem zentralen Bereich eine konkave Krümmung aufweist, so daß Lichtstrahlen, die auf den zentralen Be reich treffen, parallel zu der optischen Achse und damit senkrecht zu der Solarzelle 1 ausge richtet werden, um einen höheren Wirkungsgrad der Solarzelle zu erzielen.

Ene weitere bevorzugte Ausführungsform sieht die Verwendung einer vereinfachten Weit winkelkonstruktion vor. Zur Erläuterung ist daher in Fig. 3 eine schematische Darstellung des Strahlengangs durch eine vereinfachte Weitwinkelkonstruktion gezeigt. Die parallelen aus dem unendlichen kommenden Lichtstrahlen 9, 10 treffen auf die Weitwinkelkonstruk tion 8 mit dem Brennpunkt F. Die Lichtstrahlen 9 erzeugen einen Bildpunkt in der Bildebene B. Charakteristisch für eine Weitwinkelkonstruktion ist das auch Lichtstrahlen 10, die weit außerhalb der optischen Achse auf die Linse treffen, noch auf den Bildpunkt zurückgeführt werden.

Solch eine Linse bzw. solch ein Linsensystem läßt sich besonders kostengünstig aus Fres nellinsen fertigen. Wird nur eine Linse benutzt, müssen die einzelnen Fresnelzonen konvex ausgebildet sein, um auch weit außen auftreffende Strahlen noch in den Bildpunkt abbilden zu können. Jede Fresnelzone kann mit anderen Brennweiten gefertigt sein, um eine optimale Abbildungscharakteristik zu erhalten.

In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Strahlengangs durch eine vereinfachte Weitwinkelkonstruktion mit einer speziell (hier trichterförmig) geformten Linse. Hier wurde nun keine planare Linse, sondern eine trichterförmig geformte Fresnellinse 11 verwendet.

Beispielhaft sind vier einfallende Lichtstrahlen 9 dargestellt, die auf den Punkt A der Linse 11 treffen. Alle Strahlen werden durch die Linse in Richtung des Bildpunktes B gelenkt.

Durch die Trichterform sind die Einfallswinkel (bezogen auf das Einfallslot) der einfallenden Lichtstrahlen 9 deutlich verkleinert. Während die Lichtstrahlen den Trichterboden mit Ein fallswinkeln von etwa 90° durchlaufen, werden im Bereich des Trichterrands Einfallswinkel von bis zu 135° bei einem Trichteröffnungswinkel von 45° erreicht. Dadurch ist gewährlei stet, daß auf die einzelnen Fresnelzonen Licht mit unterschiedlichen durchschnittlichen Ein fallswinkeln auftrifft. Die einzelnen Zonen können daher für den entsprechenden Durch schnittswinkel optimiert werden.

Auch wenn die gezeigte Weitwinkelkonstruktion bereits allein zur Konzentrierung des ein fallenden Lichts eingesetzt werden kann, so ist doch eine Anordnung bevorzugt, bei der zusätzlich ein Randstrahlsammler bzw. Konzentrationskörper eingesetzt wird. Dieser Kon zentrationskörper entspricht dem in Zusammenhang mit Fig. 1 mit der Bezugszahl 2 verse henen Körper. Solch eine Anordnung ist in Fig. 4a dargestellt. Die einfallenden Licht strahlen durchlaufen zunächst die mit 11 bezeichneten trichterförmigen Fresnellinsen. Licht strahlen, die im Randbereich die Fresnellinsen 11 durchqueren, treffen dann auf die gleichfalls trichterförmige Fresnellinse 11a, die eine Durchgangsöffnung in ihrem Zentrum aufweist, um im wesentlichen im Zentrum verlaufende Strahlen ohne weiteren Medien wechsel passieren zu lassen. Die mit 2a bezeichnete Fresnellinse arbeitet als Sammellinse und ist ebenfalls trichterförmig ausgebildet. In dieser Ausführungsform beträgt der Trichteröffnungswinkel etwa 45°.

Auch wenn die einzelnen Abschnitte der Fresnellinsen in der Abbildung eben gezeichnet sind, so ist doch eine Ausführungsform vorzuziehen, bei der auch die einzelnen Abschnitte gewölbt sind.

Eine weitere Möglichkeit den erfindungsgemäßen Konzentrator zu verwirklichen, besteht in der Verwendung von einem bzw. mehreren Absolutwert-Wandlern. Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise eines Absolutwert-Wandlers wird deutlich anhand von Fig. 5.

Der Absolutwert-Wandler 12 besteht im wesentlichen aus einem Prisma mit in etwa rhom busförmigen Querschnitt, dessen eine Seitenfläche 13 verspiegelt ist. Die in der Zeichnung von links kommenden und mit der Bezugszahl 9b versehenen Lichtstrahlen werden an den beiden Grenzflächen des Prisma gebrochen. Falls der effektive brechende Winkel ungleich Null ist, d. h. die beiden Seitenflächen (links oben und rechts unten in Fig. 5), welche von den von links kommenden Lichtstrahlen 9b durchlaufen werden, nicht parallel sind, werden diese Strahlen um einen bestimmten (vom effektiven brechenden Winkel abhängenden) Be trag abgelenkt.

Die in der Zeichnung (siehe Fig. 5) von rechts kommenden und mit der Bezugszahl 9a ver sehenen Lichtstrahlen treten in das Prisma 12 von rechts oben ein und werden an der ver spiegelten Fläche 13 (links unten in Fig. 5) reflektiert, so daß sie den Absolutwert-Wandler bzw. das Prisma 12 ebenfalls an der Fläche rechts unten verlassen.

Während die einfallenden Lichtstrahlen einen Öffnungswinkel von 180° haben können, sind die ausfallenden Lichtstrahlen auf einen Öffnungswinkel von 90° begrenzt.

Bei der Realisierung eines statischen Konzentrators mit Absolutwert-Wandlern werden die Prismen vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Die Ringe weisen dann einen Querschnitt auf, der im wesentlichen dem in Fig. 5 gezeigten entspricht. Die verspiegelte Fläche wird vor zugsweise so angeordnet, daß sie an der radial weiter außen liegenden Seite des im we sentlichen ringförmigen Prismas angebracht ist.

Der statische Konzentrator besteht in diesem Fall aus mehreren im wesentlichen konzen trisch angeordneten in etwa ringförmigen Absolutwert-Wandlern. Auch dieser Konzentrator kann für bestimmte Anwendungsfällen mit optischen Körpern oder Konzentrationskörpern kombiniert werden, um den Konzentrationsfaktor weiter zu erhöhen.

Im übrigen kann auch ein ringförmiger Absolutwert-Wandler als Konzentrationskörper einge setzt werden. Er kann so mit der Weitwinkel-Konstruktion (wie beispielsweise in Zusam menhang mit den Fig. 3 und 4 beschrieben) oder der nicht-abbildenden Konstruktion (wie in Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben) kombiniert werden.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Absolutwert-Wandler besteht in der Verwendung als optischer Addierer. So kann beispielsweise das in benachbarten Konzentratoren gesam melte Licht mit Hilfe von Absolutwert-Wandlern derart umgeleitet werden, daß benachbarte Konzentratoren das einfallende Licht auf eine gemeinsame (größere) Solarzelle leiten. Da durch kann die Anzahl der benötigten Solarzellen pro Fläche weiter reduziert werden.

In Fig. 6 ist schematisch der Querschnitt eines besonders preisgünstig zu realisierenden Konzentrators gezeigt. Der gezeigte Konzentrator besteht aus zwei Folien 14 mit Fresnel struktur und einer verspiegelten Folie 15. Als Folien mit Fresnelstruktur können übliche all gemein bekannte und im Handel erhältliche Folien verwendet werden. Das einfallende Licht durchläuft daher zunächst die kegelartig bzw. trichterartig ausgebildete Folie 14 mit Fres nelstruktur. Dadurch wird das Licht derart abgelenkt, daß der Winkel zur optischen Achse verkleinert wird. Als nächstes wird die zweite Folie 14 mit Fresnelstruktur durchlaufen. Die zweite Folie besitzt in ihrem Zentrum eine Aussparrung, um diejenigen Lichtstrahlen, die bereits im wesentlichen parallel zur optischen Achse und zentrisch einfallen, ohne weitere Ablenkung und ohne weitere Verluste passieren zu lassen. Alle anderen einfallenden Licht strahlen werden durch die stufenförmig abgesetzte (siehe Fig. 6) Folie weiter in Richtung Konzentrationspunkt abgelenkt. Die Stufen werden durch Abschnitte, die im wesentlich parallel zur Trichterachse verlaufen, und Abschnitte, die im wesentlichen parallel zur Trich terachse verlaufen, gebildet. Schließlich treffen sie auf die im wesentlichen trichterförmig ausgebildete, verspiegelte Folie 15, welche die Strahlen dann derart reflektiert, daß sie im wesentlichen am Rand des "Trichters" nach unten und durch die Durchführung 16 geführt werden und ebenfalls auf den Konzentrationspunkt treffen.

Vorzugsweise wird das Konzentratorelement rotationssymmetrisch ausgebildet, da dann der höchste Wirkungsgrad des einzelnen Konzentrators erzielt werden kann. Allerdings kann das Konzentratorelement auch eine andere Form besitzen. So ist es für manche Anwendungen, insbesondere wenn mehrere Konzentratorelemente nebeneinander gestellt werden sollen, von Vorteil, wenn die Konzentratorelement eine Form haben, welche ein Aneinanderreihen der Konzentratorelemente erlaubt, ohne daß "Lücken" entstehen. Dadurch ist gewährleistet, daß die zur Verfügung stehende Fläche optimal ausgenutzt wird.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Der Konzentrator besteht hier aus einem optischen Körper 19, der trichterförmig ausgebildet ist, wobei die Außenseite 18 verspiegelt ist. Der trichterförmige Konzentrator weist an seinem dem Konzentrationspunkt zugewandten verengtem Ende eine Öffnung 16 auf. Durch diese Öffnung treten Lichtstrahlen, die im wesentlichen senkrecht auf das Zentrum einfallen, ver lustfrei hindurch.

Der optische Körper 19 besteht zum einen aus einem im wesentlichen Hohlkegelabschnitt förmigen (d. h. trichterförmigen) Körper, der an seiner Innenseite wulstartige Vorsprünge hat. Diese Wulste weisen in dieser Ausführungsform drei Seiten 191, 192, 193 auf. Die Verlängerung der Seite 191 nimmt mit der optischen Achse O den Winkel γ ein. Der Winkel γ ist für alle Wulste stets größer als der Trichteröffnungswinkel δ.

Der Winkel γ nimmt für benachbarte Wulste von innen nach außen bzw. von unten nach oben in Fig. 7 ab.

D. h. daß je weiter der Wulst bzw. die Wulstfläche 191 von der optischen Achse entfernt ist, umso größer wird der effektive brechende Winkel ε, für Lichtstrahlen, die über die Flä che 191 in den optischen Körper 19 eintreten und auf die verspiegelte Räche 18 treffen. Die Ablenkung der auf die Flächen 191 treffenden Strahlen ist demnach um so größer, je weiter außen die betreffende Fläche 191 liegt. Der Strahlenverlauf ist durch die Schraffie rung kenntlich gemacht. Der Konzentrator ist so gefertigt, daß ein Großteil der eintreffenden Lichtstrahlen auf die Rächen 191 auftrifft. Das Licht wird dann derart abgelenkt, daß es im wesentlichen im Randbereich des optischen Körpers (grau markiert in Fig. 7) zum Trichter boden geführt wird.

Am Rande sei bemerkt, daß es selbstverständlich auch möglich ist, den Konzentrator, wie er im Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben worden ist, ohne verspiegelte Flächen zu ver wenden.

Eine andere Ausführungsform einer Konzentrationseinheit ist in Fig. 8 gezeigt. Der im we sentlichen rotationsymmetrische optische Körper 19 ist an seiner Außenseite 18 verspiegelt. Die mit der Bezugszahl 20 bezeichneten Flächen stellen Hohlräume dar.

Der Konzentrator setzt sich in dieser Ausführungsform aus einem "massiven" Trichter 19, der eine ringförmige Lufteinlagerung aufweist, und einem kleineren Kegel 22, der in umge kehrter Orientierung in dem Trichter 19 aufsitzt. Der abgebildete Konzentrator wurde mit Hilfe einer Obeflächen-Fnite-Elemente-Optimierung so berechnet, daß er gleichzeitig sowohl äußerst geringe Rückstrahlwerte als auch eine minimale Anzahl von Medienwechseln (Mini mierung des Intensitätsverlusts) sowie eine möglichst kleine Abweichung des den Konzen trator verlassenden Ausgangsstrahl von der optischen Achse zeigt.

Wie bereits mehrfach erwähnt kann der Querschnitt eines Konzentratorelements in Aufsicht im Prinzip beliebig sein. Falls nur ein Konzentrator verwendet wird, ist jedoch in der Regel eine runde Querschnittsform vorzusehen, werden dagegen mehrere Konzentratoren neben einander plaziert, so sind andere Formen, die die zur Verfügung stehende Räche voll aus nutzen zu bevorzugen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 9 dargestellt. Hier haben die Kon zentratoren 23 eine sechseckige Querschnittsform in Aufsicht.

In Fig. 10 ist beispielhaft ein Querschnitt durch eine solche Hexazelle 23 aus Fig. 9 ge zeigt. Die vier Fresnellinsen 24 der vereinfachten Weitwinkel-Konstruktion sind waagerecht angeordnet. Sie werden von der Rahmenwand 25 gehalten. Am Boden befindet sich der Solarwandler 1 samt Zuführungsleitungen und gegebenenfalls eine Abschlußwand oder -matte.

In Fig. 11 ist beispielhaft eine andere Anordnungsmöglichkeit dargestellt. Hier wird das von den einzelnen Konzentratorelementen 23 eingesammelte Licht 9 über eine Lichtsam melleitung 26 zu dem Solarwandler 1 umgelenkt. Der Solarwandler besitzt hier einen Kühl körper 27.

Claims

1. Konzentrator zur Konzentration einfallenden Lichts auf eine vorbestimmte Fläche bzw. ein vorbestimmtes Volumen, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator Licht mit einem Öffnungswinkel von größer als 20°, vorzugsweise größer als 40° konzentriert.

2. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator Licht mit einem Öffnungswinkel von größer als 90°, vorzugsweise mindestens 100° kon zentriert.

3. Konzentrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine verein fachte Weitwinkel-Konstruktion aus mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier, Linsen (8, 11) als Konzentrator vorgesehen ist.

4. Konzentrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Fresnellinsen (11) für die Weitwinkel-Konstruktion vorgesehen sind.

5. Konzentrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnellinse (11) trichterförmig geformt ist.

6. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß min destens ein Hohlspiegel oder eine Parabol-Spiegelrinne vorgesehen ist.

7. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator mindestens einen optischen Körper (4, 12, 19) aufweist, der in dem Strahlengang angeordnet ist.

8. Konzentrator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß min destens ein optischer Körper (4, 12, 19) vorzugsweise in Einfallsrichtung vor der Weitwinkel-Konstruktion angeordnet ist.

9. Konzentrator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator mindestens eine Streulinse aufweist, die in dem Strahlengang angeord net ist.

10. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator ein Konzentrationsprisma (2) aufweist.

11. Konzentrator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Konzentrati onsprisma (2) eine im wesentlichen zentral verlaufende Durchgangsöffnung besitzt.

12. Konzentrator nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optischer Körper (4, 12, 19) vorgesehen ist, der im Querschnitt im wesentlichen Keilform (4) hat.

13. Konzentrator nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optischer Körper (4, 12, 19) vorgesehen ist, der im wesentlichen eine Kegel- oder Pyramidenform besitzt.

14. Konzentrator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine optische Körper (4) im wesentlichen eine Ringform mit keilförmigen Querschnitt hat.

15. Konzentrator nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Keilringscheibe (4) vorgesehen ist.

16. Konzentrator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilringscheibe aus im wesentlichen immer paarweise mit umgekehrter Orientierung, d. h. die spitz zulaufenden Keilfüße (4a) sind einander zugewandt, angeordneten Keilringen (4) be steht.

17. Konzentrator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Keilringpaare (4) durch verspiegelte Flächen (5) getrennt sind, so daß die Keilrücken (4b) jeweils an den verspiegelten Flächen (5) im wesentlichen anliegen.

18. Konzentrator nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die längste Querschnittseite des Keilrings mindestens zwei Abschnitte (6, 7) auf weist, die mit der optischen Achse O unterschiedliche Winkel einschließen.

19. Konzentrator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Keilfläche und optischer Achse O in Lichtlaufrichtung abnimmt.

20. Konzentrator nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die längste Querschnittseite (6, 7) des Keilrings eine konkave Krümmung aufweist.

21. Konzentrator nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die verspiegelten Flächen (5) im wesentlichen Hohlzylinder bilden.

22. Konzentrator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die verspiegelten Flä chen (5) vom Zentrum nach außen hin eine zunehmende Konizität aufweisen.

23. Konzentrator nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die verspie gelten Flächen (5) so ausgebildet sind, daß sie sich in Lichtlaufrichtung erweitern.

24. Konzentrator nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen verspiegelter Fläche (5) und Keilring mindestens ein Hohlraum vorgesehen ist.

25. Konzentrator nach einem der Ansprüche 14 oder 17 bis 24, dadurch gekennzeich net, daß die Keilringscheibe aus Keilringen (4) besteht, die immer in gleicher Orientie rung aneinandergereiht sind.

26. Konzentrator nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Keilring (4) von zwei verspiegelten Flächen (5) eingeschlossen wird.

27. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine, vorzugsweise zwei, Fresnellinsen (3) zur Strahlenbündelung vorge sehen sind.

28. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Sammellinse vorgesehen ist.

29. Konzentrator nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse für jeden Keilringbereich einen eigenen Fokussierungsbereich besitzt.

30. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Brennspiegel vorgesehen ist.

31. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absolutwert-Wandler (12) vorgesehen ist.

32. Konzentrator nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ab solutwert-Wandler-Ringscheibe vorgesehen ist.

33. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß drei Folien (14, 15) vorgesehen sind, wobei zwei Folien (14) eine Fresnelstruktur aufwei sen und eine (15), die in Lichtlaufrichtung als letztes angeordnet ist, verspiegelt ist.

34. Konzentrator nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die in Lichtlaufrich tung erste Folie (mit Fresnelstruktur) trichterförmig bzw. kegelförmig ausgebildet ist.

35. Konzentrator nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß die in Licht laufrichtung zweite Folie (mit Fresnelstruktur) im wesentlichen stufenförmig ausge bildet ist, wobei sie Abschnitte, die im wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufen, und/oder Abschnitte, die im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse verlaufen, besitzt.

36. Konzentrator nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Folie eine im wesentlichen zentral angeordnete Durchgangsöffnung (16) aufweist.

37. Konzentrator nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die verspiegelte Folie (15) im wesentlichen konisch ausgebildet ist, wobei sich die Folie in Lichtlaufrichtung verjüngt und vorzugsweise eine im wesentlichen zentral ange ordnete Durchgangsöffnung (16) aufweist.

38. Konzentrator nach einem der Ansprüche 14 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen hohlkegelförmiger optischer Körper (19) mit einem Trichteröff nungswinkel δ vorgesehen ist, der vorzugsweise in seinem Zentrum eine Durch gangsöffnung aufweist und der an seiner Innenseite mindestens einen wulstartigen Vorsprung mit einem Umfangswinkel von vorzugsweise 360° aufweist.

39. Konzentrator nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der wulstartige Vor sprung einen Abschnitt (191) aufweist, der mit der optischen Achse O einen Winkel γ einschließt, wobei vorzugsweise γ < δ ist.

40. Konzentrator nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel γ von Vor sprung (191) zu Vorsprung in Lichtlaufrichtung abnimmt.

41. Konzentrator nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Körper an seiner Trichteraußenseite (18) verspiegelt ist.

42. Konzentrator nach einem der Ansprüche 14 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Körper aus einem im wesentlichen sich in Lichtlaufrichtung verjüngendem Körper besteht.

43. Konzentrator nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper Luftein schlüsse (20) besitzt.

44. Konzentrator nach einem der Ansprüche 42 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine im wesentlichen zentral verlaufende in Lichtlaufrichtung spitz zulaufende Einbuchtung aufweist.

45. Konzentrator nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einbuchtung ein weiterer Körper (22) vorgesehen ist, der vorzugsweise eine im wesentlichen ke gelartige Form hat, wobei sich der Kegel in Lichtlaufrichtung erweitert.

46. Konzentrator, nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator in Lichtlaufrichtung gesehen einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzt.

47. Konzentrator, nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (23) in Lichtlaufrichtung gesehen einen im wesentlichen sechseckigen Querschnitt besitzt.

48. Konzentrator, nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (23) in Lichtlaufrichtung gesehen einen im wesentlichen dreieckigen oder viereckigen Querschnitt besitzt.