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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet sauberer Energiequellen, insbesondere eine Vorrichtung zum Aufnehmen konzentrierter Sonnenenergie.
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HINTERGRUND
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Mit der zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes wurden Solarsysteme in immer größerem Umfang verwendet. Gegenwärtig werden die existierenden Solarsysteme in zwei Typen unterteilt: der konzentrierte Typ und der nicht konzentrierte Typ.
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Ein nicht konzentriertes Solarsystem stützt sich hauptsächlich auf Photovoltaikmodule, und zur Verbesserung der Fähigkeit zum Aufnehmen von Sonnenlicht benötigt es viele Photovoltaikmodule, und es beansprucht außerdem eine große Bodenfläche, und daher sind die Gesamtsystemkosten hoch und die Nutzungseffizienz des Bodens ist gering.
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Ein verdichtetes bzw. konzentriertes Solarsystem fokussiert Sonnenlicht typischerweise durch eine Linse auf ein Gerät zur Nutzung von Sonnenenergie, etwa Photovoltaikmodule, was ein Gerät zur Nutzung von Sonnenenergie mit einer kleineren Fläche ermöglicht, das Sonnenlicht von einer größeren Fläche erhält, das durch die Linse konzentriert wird, wodurch eine gute Fähigkeit zum Aufnehmen von Sonnenergie erreicht wird. Jedoch muss das konzentrierte Solarsystem in Verbindung mit einem Sonnennachführungssystem verwendet werden, um den gewünschten Effekt zu erzielen, was zu einem Kostenanstieg des Gesamtsystems führt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie bereit, die ein sich verjüngendes Licht leitendes Gerät, ein Gerät zur Nutzung von Sonnenenergie und eine Fresnel-Linse umfasst, wobei das sich verjüngende Licht leitende Gerät eine große Öffnung an einem Ende und eine kleine Öffnung an dem anderen Ende aufweist und auf der Innenseite mit einer Spiegeloberfläche versehen ist, die zum Reflektieren von Sonnenenergie in der Lage ist; das Gerät zur Nutzung von Sonnenenergie an dem Ende mit der kleinen Öffnung des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts angeordnet ist, seine Lichtaufnahmeoberfläche dem Ende mit der großen Öffnung des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts zugewandt ist und ausgestaltet ist, um aufgenommene Sonnenenergie umzuwandeln oder zu nutzen; und die Fresnel-Linse an dem Ende mit der großen Öffnung des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts montiert ist, um Sonnenenergie zu konzentrieren.
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Diese Offenbarung weist die folgenden vorteilhaften Effekte auf: Die Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung umfasst ein sich verjüngendes Licht leitendes Gerät, ein Gerät zur Nutzung von Sonnenenergie und eine Fresnel-Linse. Das sich verjüngende Licht leitende Gerät weist eine große Öffnung an einem Ende und eine kleine Öffnung am anderen Ende auf. Das Gerät zur Nutzung von Sonnenenergie ist an dem Ende mit der kleinen Öffnung des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts angeordnet und ausgestaltet, um aufgenommene Sonnenenergie umzuwandeln oder zu nutzen. Die Fresnel-Linse ist an dem Ende mit der großen Öffnung des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts montiert, um Sonnenenergie zu konzentrieren und die Fähigkeit zum Aufnehmen von Sonnenenergie zu verbessern. In Übereinstimmung mit dieser Offenbarung werden das sich verjüngende Licht leitende Gerät und die Fresnel-Linse miteinander kombiniert, um die Sonnenenergiekonzentrationseffizienz der Vorrichtung zu verbessern und darüber hinaus kann die Aufnahme und Nutzung von Sonnenenergie ohne ein Sonnennachführungssystem erreicht werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Zeichnung der Struktur einer Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie in Übereinstimmung mit Ausführungsform 1;
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2 ist eine Schnittansicht der Struktur der Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie in Übereinstimmung mit Ausführungsform 1;
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3 ist eine schematische Zeichnung der Struktur einer Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie in Übereinstimmung mit Ausführungsform 2;
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4 ist eine Schnittansicht der Struktur der Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie in Übereinstimmung mit Ausführungsform 2.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen in weiterem Detail beschrieben. Jedoch kann die vorliegende Erfindung in vielen verschiedenen Formen implementiert werden, die nicht auf die Ausführungsformen beschränkt sind, die in den Ausführungsformen beschrieben sind. Die folgenden speziellen Ausführungsformen werden bereitgestellt, um ein klares und gründliches Verständnis der Inhalte zu ermöglichen, die in dieser Offenbarung offengelegt werden, wobei die Worte, die Orientierungen anzeigen, etwa ”oberer”, ”unterer”, ”links” und ”rechts” nur für die Positionen von Strukturen gedacht sind, die in den entsprechenden Zeichnungen gezeigt sind.
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Jedoch wird der Fachmann auf dem Gebiet feststellen, dass die Beschreibung von einem oder mehreren speziellen Details weggelassen sein kann, oder dass auch andere Verfahren, Komponenten oder Materialien verwendet werden können. In einigen Beispielen sind einige Implementierungswege nicht oder nicht im Detail beschrieben.
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Zudem können die technischen Merkmale und die technischen Aspekte, die hier beschrieben sind, in einer oder mehreren Ausführungsformen auch auf eine beliebige geeignete Weise kombiniert werden. Der Fachmann auf dem Gebiet wird leicht verstehen, dass die Schritte oder die Folge von Operationen in Verbindung mit den hier bereitgestellten Ausführungsformen ebenfalls verändert werden kann. Folglich dient jede Abfolge in den Zeichnungen und Ausführungsformen nur zu Veranschaulichungszwecken und impliziert nicht, dass einer speziellen Abfolge gefolgt werden muss, außer dort, wo es explizit anderweitig erwähnt ist.
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Hier werden Bezugszeichen, die für Komponenten vorgesehen sind, etwa ”erster”, ”zweiter”, usw. nur genutzt, um die beschriebenen Objekte zu unterscheiden, ohne irgendeine Reihenfolge oder technische Bedeutung. Der Begriff ”verbunden” oder ”gekoppelt” umfasst, so wie er in dieser Offenbarung verwendet wird, direkte und indirekte Verbindungen (Kopplungen), sofern es nicht anderweitig angegeben ist.
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Ausführungsform 1:
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Diese Ausführungsform stellt eine Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie bereit.
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Mit Bezug auf 1 und 2 umfasst die Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie ein sich verjüngendes Licht leitendes Gerät 100, ein Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie und eine Fresnel-Linse 300.
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Das sich verjüngende Licht leitende Gerät 100 weist an einem Ende eine große Öffnung und an dem anderen Ende eine kleine Öffnung auf und ist auf der Innenseite mit einer Spiegeloberfläche versehen, die zum Reflektieren von Sonnenenergie in der Lage ist. Das Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie ist an dem Ende mit der kleinen Öffnung des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 angeordnet, weist eine Lichtaufnahmeoberfläche auf, die dem Ende mit der großen Öffnung des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts zugewandt ist und ist ausgestaltet, um aufgenommene Sonnenenergie umzuwandeln oder zu nutzen.
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Die Fresnel-Linse 300 ist an dem Ende mit der großen Öffnung des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 montiert, um Sonnenenergie zu konzentrieren und die Fähigkeit zum Aufnehmen von Sonnenenergie zu verbessern.
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Sonnenenergie wird auf dem Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie durch die Fresnel-Linse 300 und das sich verjüngende Licht leitende Gerät 100 konvergieren gelassen. Das Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie ist ein Typ eines Geräts, das Sonnenenergie aufnehmen kann und die Sonnenenergie umwandeln und nutzen kann, zum Beispiel kann es ein Photovoltaikmodul und/oder ein Gerät zur Nutzung von Solarthermie, und/oder ein Gerät zum Umwandeln von Wärme in Elektrizität und/oder ein Gerät zum Speichern von thermischer Energie sein.
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Um Licht, das durch das Licht leitende Gerät konvergieren gelassen wird, besser aufnehmen zu können, stimmt die Senkrechte auf die Lichtaufnahmeoberfläche des Geräts 200 zur Nutzung von Sonnenenergie vorzugsweise mit der Mittelachse des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 überein oder ist zu dieser parallel.
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In dieser Ausführungsform bezeichnet das Photovoltaikmodul alle photoelektrischen Umwandlungsgeräte, die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln, und die polykristallines Silizium, monokristallines Silizium, CdTe-Photovoltaikmodule, (Galliumarsenid oder CIGS) Photovoltaik-Dünnfilme, CaTi-Photovoltaikmodule, quantendotierte Photovoltaikmodule und so weiter umfassen. In anderen Ausführungsformen kann das Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie ein Gerät zur Nutzung von Solarthermie, ein Gerät zum Umwandeln von Wärme in Elektrizität, ein Gerät zum Speichern von thermischer Energie oder eine Kombination der vorstehenden Geräte 200 zur Nutzung von Sonnenenergie umfassen.
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Mit Bezug auf 2 ist eine Kühlkörperplatte 400 unter dem Photovoltaikmodul angeordnet, um die Temperatur des Photovoltaikmoduls zu reduzieren. In anderen Ausführungsformen kann die Kühlkörperplatte 400 durch eine Wasserheizung oder ein Gerät zur Nutzung von thermischer Energie ersetzt werden.
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In Übereinstimmung mit dieser Offenbarung sind das sich verjüngende Licht leitende Gerät 100 und die Fresnel-Linse 300 miteinander kombiniert, um die Sonnenenergiekonzentrationseffizienz der Vorrichtung zu verbessern und darüber hinaus kann die Aufnahme und Nutzung der Sonnenenergie ohne ein Sonnennachführungssystem erreicht werden.
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Die Fresnel-Linse 300 dieser Ausführungsform ist eine einfache Fresnel-Linse (die in 1 transparent ist und daher nicht gezeigt ist, aber in 2 gezeigt ist). In anderen Ausführungsformen kann die Fresnel-Linse 300 eine aus mehreren Einheiten zusammengesetzte Fresnel-Linse sein. Die sogenannte Verbund-Fresnel-Linse bezeichnet eine Anzahl einfacher Fresnel-Linseneinheiten, die verschachtelt sind. Die Brennweiten aller Fresnel-Linseneinheiten können gleich oder verschieden sein und können nach Bedarf justiert sein.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist die makroskopisch gekrümmte Oberfläche der Fresnel-Linse 300 dieser Ausführungsform planar bzw. eben, aber in anderen Ausführungsformen kann die makroskopisch gekrümmte Oberfläche der Fresnel-Linse 300 eine rotationssymmetrische Oberfläche, eine zylindrische Oberfläche oder eine Faltoberfläche sein.
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Wieder mit Bezug auf 1 und 2 ist das sich verjüngende Licht leitende Gerät 100 in der vorliegenden Ausführungsform ein symmetrischer vierseitiger Kegel, d. h. sein Querschnitt ist ein symmetrisches Viereck, und der sogenannte Querschnitt bezeichnet einen Schnitt rechtwinklig zu der zentralen Achse des Licht leitenden Geräts. In anderen Ausführungsformen kann die Querschnittsgestalt auch kreisförmig, elliptisch, polygonal (z. B. viereckig, sechseckig oder achteckig) und dergleichen sein.
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Da die Gestalt des Querschnitts allgemein den Gestalten der Öffnungen an beiden Enden gleicht, kann das sich verjüngende Licht leitende Gerät in ein konisches Licht leitendes Gerät, ein elliptisches sich verjüngendes Licht leitendes Gerät, oder ein polygonales sich verjüngendes Licht leitendes Gerät in Übereinstimmung mit den Gestalten der Öffnungen unterteilt werden.
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Unabhängig von der Gestalt des Querschnitts des Licht leitenden Geräts jedoch ist der Neigungswinkel θ zwischen der Senkrechten Lm auf die Spiegeloberfläche des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 an jedem Punkt mit kontinuierlicher Krümmung und der Senkrechten Lr auf die Lichtaufnahmeoberfläche des Geräts 200 zur Nutzung von Sonnenenergie vorzugsweise größer als 45° aber kleiner als 90°, um Licht SS (gewöhnlich als paralleles Licht betrachtet), welches auf das Ende mit der großen Öffnung des Licht leitenden Geräts auftrifft, so gut wie möglich an das Ende mit der kleinen Öffnung zu leiten, so dass das Licht das Gerät zur Nutzung von Sonnenenergie erreichen kann. Der Punkt mit kontinuierlicher Krümmung bezeichnet einen Punkt, bei welchem die Krümmung der Spiegeloberfläche kontinuierlich bzw. stetig ist. Bei einer glatten Oberfläche kann der Punkt mit kontinuierlicher Krümmung an jeder beliebigen Position sein; bei einer Faltoberfläche sind zusätzlich zu der Falzlinie die anderen Positionen alle Punkte mit kontinuierlicher Krümmung.
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Zudem weist mindestens eine der vier sich verjüngenden Oberflächen des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 einen Lichteintrittsabschnitt auf, welcher ermöglicht, dass Licht hereinkommt. Der Lichteintrittsabschnitt kann den Lichteintrittswinkel der gesamten Vorrichtung vergrößern, und Sonnenlicht kann in das sich verjüngende Licht leitende Gerät 100 von dem Lichteintrittsabschnitt aus eintreten, selbst wenn die Sonne sich in einer schrägen Position befindet.
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Der Lichteintrittsabschnitt umfasst eine lichtdurchlässige Oberfläche, die Licht übertragen kann, und/oder einen Lichteinlass, der zulässt, dass Licht hereinkommt. Mit Bezug auf 1 und 2 ist der Lichteintrittsabschnitt in dieser Ausführungsform als ein Lichteinlass 150 konstruiert, durch welchen das Sonnenlicht direkt in das sich verjüngende Licht leitende Gerät 100 hineinkommen kann.
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Als bevorzugte Ausführungsform sind die Lichteintrittsabschnitte auf einem Paar einander gegenüberliegender sich verjüngender Oberflächen des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 ausgebildet. Zum Beispiel sind in dieser Ausführungsform die vier sich verjüngenden Oberflächen des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 eine erste sich verjüngende Oberfläche 110, eine zweite sich verjüngende Oberfläche 120, eine dritte sich verjüngende Oberfläche 130 bzw. eine vierte sich verjüngende Oberfläche 140, und die erste sich verjüngende Oberfläche 110 und die zweite sich verjüngende Oberfläche 120 sind einander gegenüberliegend angeordnet, und die dritte sich verjüngende Oberfläche 130 und die vierte sich verjüngende Oberfläche 140 sind zwischen der ersten sich verjüngenden Oberfläche 110 und der zweiten sich verjüngenden Oberfläche 120 verbunden und sind ebenfalls einander gegenüberliegend angeordnet. Die Lichteinlässe 150 sind in der ersten sich verjüngenden Oberfläche 110 bzw. in der zweiten sich verjüngenden Oberfläche 120 ausgebildet. Wenn die Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie verwendet wird, werden die erste sich verjüngende Oberfläche 110 und die zweite sich verjüngende Oberfläche 120 in der Ost-West-Richtung platziert, und die dritte sich verjüngende Oberfläche 130 und die vierte sich verjüngende Oberfläche 140 werden in die Nord-Süd-Richtung platziert.
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Die dritte sich verjüngende Oberfläche 130 und die vierte sich verjüngende Oberfläche 140 in der Nord-Süd-Richtung sind intakte Spiegel, und die erste sich verjüngende Oberfläche 110 und die zweite sich verjüngende Oberfläche 120 in der Ost-West-Richtung weisen die Lichteinlässe 150 auf. Alternativ können die Lichteintrittsabschnitte ferner an den oberen Abschnitten der sich verjüngenden Oberflächen angeordnet sein, d. h. die oberen Abschnitte der ersten sich verjüngenden Oberfläche 110 und der zweiten sich verjüngenden Oberfläche 120 weisen Lichteinlässe 150 auf, und deren untere Abschnitte sind Spiegeloberflächen. Da die Abweichung der Sonne in der Ost-West-Richtung 75 Grad erreichen kann, sind die Lichteinlässe 150, die in der ersten sich verjüngenden Oberfläche 110 und in der zweiten sich verjüngenden Oberfläche 120 in der Ost-West-Richtung ausgebildet sind, vorteilhaft für das Verbessern der Lichtaufnahmeeffizienz der Sonnenenergie. Wie in 2 gezeigt ist, zeigen A und B, dass Sonnenlicht in das sich verjüngende Licht leitende Gerät 100 aus zwei Richtungen eintritt.
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Das sich vierseitig verjüngende Licht leitende Gerät 100 dieser Ausführungsform ist nicht verschlossen, was vorteilhaft beim Reduzieren der Kosten und beim Falten des Systems ist.
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Zum Entfernen von Staub sind Reinigungsöffnungen 160 zwischen dem Ende mit der kleinen Öffnung des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 und dem Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie ausgebildet. Mit Bezug auf 1 und 2 sind die Reinigungsöffnungen 160 dieser Ausführungsform an den unteren Enden der ersten sich verjüngenden Oberfläche 110 und der zweiten sich verjüngenden Oberfläche 120 angeordnet, um das Reinigen von Fremdgegenständen zu ermöglichen, etwa von Staub, der in das vierseitige sich verjüngende Licht leitende Gerät 100 hineinfällt.
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Selbstverständlich können die Reinigungsöffnungen 160 in einer oder mehreren beliebigen der vier sich verjüngenden Oberflächen ausgebildet sein.
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Wenn man eine sich verjüngende kreisförmige und elliptische Oberfläche in vier Oberflächen aufteilt, ist die vorstehend erwähnte Ausführungsform mit Bezug auf die vier sich verjüngenden Oberflächen gleichermaßen auf die sich verjüngenden kreisförmigen und elliptischen Oberflächen anwendbar.
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Ausführungsform 2:
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Diese Ausführungsform stellt eine weitere Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie bereit.
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Mit Bezug auf 3 und 4 umfasst die Vorrichtung zum Aufnehmen von konzentrierter Sonnenenergie in analoger Weise ein sich verjüngendes Licht leitendes Gerät 100, ein Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie und eine Fresnel-Linse 300.
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Einer der Unterschiede zwischen der vorliegenden Vorrichtung zum Aufnehmen von verdichtetem bzw. konzentriertem Licht und der Ausführungsform 1 besteht darin, dass die Fresnel-Linse 300 dieser Ausführungsform eine Verbund-Fresnel-Linse ist.
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Die sogenannte Verbund-Fresnel-Linse bezeichnet eine Anzahl einfacher Fresnel-Linseneinheiten, die zusammengesetzt sind. Die Brennweiten aller Fresnel-Linseneinheiten können gleich oder unterschiedlich sein und sie können nach Bedarf justiert sein.
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Das vierseitige, sich verjüngende Licht leitende Gerät 100 dieser Ausführungsform ist ein asymmetrischer vierseitiger Kegel und die erste sich verjüngende Oberfläche 110 und die zweite sich verjüngende Oberfläche 120 und die dritte sich verjüngende Oberfläche 130 und die vierte sich verjüngende Oberfläche 140 sind alle in Struktur und Größe asymmetrisch.
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Zudem bilden das sich verjüngende Licht leitende Gerät 100, das Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie und die Fresnel-Linse 300 dieser Ausführungsform einen geschlossenen Raum.
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Wenn das Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie ein Photovoltaikmodul verwendet, kann ein Verschließen der zwei Öffnungen des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 die Anforderungen an die Oberflächenmontage für das Photovoltaikmodul verringern und die Oberflächenmontage des Photovoltaikmoduls ist immer ein wichtiger Faktor, der die Lebensdauer des Photovoltaikmoduls begrenzt.
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Wieder mit Bezug auf 3 und 4 sind in dieser Ausführungsform die dritte sich verjüngende Oberfläche 130 und die vierte sich verjüngende Oberfläche 140 des sich verjüngenden Licht leitenden Geräts 100 intakte Spiegeloberflächen, und die Lichteintrittsabschnitte der ersten sich verjüngenden Oberfläche 110 und der zweiten sich verjüngenden Oberfläche 120 verwenden lichtdurchlässige Oberflächen 170, um die Abdichtungsanforderungen zu erfüllen.
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Analog können die lichtdurchlässigen Oberflächen 170 ferner alternativ an den oberen Abschnitten der ersten sich verjüngenden Oberfläche 110 und der zweiten sich verjüngenden Oberfläche 120 angeordnet sein, und die unteren Abschnitte der ersten sich verjüngenden Oberfläche 110 und der zweiten sich verjüngenden Oberfläche 120 sind reflektierende Spiegeloberflächen, wodurch das Aufnehmen von Sonnenlicht erleichtert wird.
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In dieser Ausführungsform kann die Fähigkeit der Staubfreiheit innerhalb der Vorrichtung erheblich verbessert werden, da das sich verjüngende Licht leitende Gerät 100, das Gerät 200 zur Nutzung von Sonnenenergie und die Fresnel-Linse 300 einen geschlossenen Behälter bilden, und die Vorrichtung kann leichter gereinigt werden.
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Das Vorstehende ist eine weitere detaillierte Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den speziellen Ausführungsformen, und es darf nicht so aufgefasst werden, dass die speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf diese Beschreibungen beschränkt sind. Für den Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, ist es offensichtlich, dass eine Anzahl einfacher Herleitungen oder Substitutionen durchgeführt werden kann, ohne das erfinderische Konzept der vorliegenden Erfindung zu verlassen:
