DE2824888A1

DE2824888A1 - Vorrichtung zur umwandlung von sonnenenergie in elektrische und waermeenergie mit hilfe von fluoreszenz- lichtkonzentratoren

Info

Publication number: DE2824888A1
Application number: DE19782824888
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Baur; Adolf Prof Dr Goetzberger; Ortwin Dr Schirmer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1978-06-07
Filing date: 1978-06-07
Publication date: 1979-12-20

Description

Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische und
Wärmeenergie mit Hilfe von Fluoreszenz-Lichtkonzentratoren Stand der Technik Im folgenden werden Zeitschriften-Artikel und Patentanmeldungen über das hier zugrundeliegende Prinzip angeführt: / 1/ W.H. Weber and J. Lambe Applied Optics, Vol 15, 2299, Oct. 1976 / 2/ H.A. Levitt and W.H. Weber Applied Optics, Vol 16, 2684, Oct. 1977 / 3/ Research Disclosure Nr. 29, Jan. 1975, S. 20 - 21 / 4/ JR. Mallinson and P. T. Landsberg Proc. R. Soc. A. 355, 115 (1977) / 5/ A. Goetzberger and W. Greubel Applied Physics, Vol 14, 123 (1977) / 6/ B.A. Swartz, T. Cole, and A.H. Zewail Optics Lett. 1, 73 (1977) sowie unsere folgenden deutschen Patentanmeldungen: / 7/ Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie - P 26 20 115.0-33 / 8/ Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtenergie in Wärmeenergie -P 2629 641.3-13 / 9/ Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie - P 26 28 281.7-33 /10/ Vorrichtung mit Lumine szenz- Lichtkonzentratoren zur Umwandlung von Solarenergie - P 27 37 847.8 Die theoretischen Grundlagen der zugrundeliegenden Effekte sind in /5/, der Stand der Technik ist in /10/ ausführlich dargestellt.
In der vorliegenden Zusatz-Anmeldung soll eine Reihe von weiteren Ausführungen und Abwandlungen der unseren früheren Anmeldungen zugrundeliegenden Vorrichtung angegeben werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen Fig. 1 Kollektorplatten 1 konzentrieren das Fluoreszenzlicht auf Solarzellen 2 und einen Wärmeabsorber 3. Der Kollektorstapel ist mit einem Reflektor 4 unterlegt, dessen Oberfläche aus einem diffus reflektierenden Stoff 5 besteht. 6 ist ein einfallender Lichtstrahl, 7 die reflektierten Strahlen.
Fig. 2 legt dar, wie eine dünne, fluoreszierende Schicht 8 mit einer transparenten Trägerplatte 9 kombiniert werden kann. 10 ist das Beispiel eines Lichtstrahls. Fig. 2 a zeigt die fluoreszierende Schicht 8, die auf die Oberfläche der Trägerplatte 9 aufgebracht ist. Fig. 2 b zeigt eine solche Schicht eingeschlossen zwischen zwei Trägerplatten. Fig. 2 c zeigt eine Ausführing, bei der Lichtleitung in der fluoreszierenden Schicht verhindert wird.
Fig. 3 zeigt den Einbau einer optischen Sicherung 11 zwischen Kollektor 1 und Absorber 3. 11 liegt innerhalb der Wärmeisolation 12. Fig. 3 b zeigt eine weitere Ausführung: Die optische Sicherung 11 ist so ausgebildet, daß sich bei Erhitzen Streuzentren 13 bilden, die das Licht in den Kollektor zurücklenken. 14 sind Spiegel an der Innenseite der Wärmeisolation.
Fig. 4 a zeigt einen Kollektor 1 in Aufsicht, der statistisch über die Fläche verteilt Lichtaustrittsstrukturen 15 enthält und der an den wanten verspiegelt ist 14.
Fig. 4 b zeigt einen Schnitt durch denselben Kollektor. Die Lichtaustrittsstrukturen sind kegelförmige Vertiefungen 15, die verspiegelt 14 sind. Ein Lichtstrahl 10 wird somit umgelenkt auf eine Solarzelle 2.
Fig. 4 c zeigt, wie eine weitere Konzentration durch Einkoppeln in eindimensionale Lichtleiterstrukturen 16 erreicht werden kann.
1. Ausgestaltung des rückwärtigen Reflexionsspiegels In unserer früheren Anmeldung wurde bereits festgestellt, daß die Unterlegung eines Kollektorstapels (1) mit einem Spiegel (4) Vorteile bringt. Auch in /1/ wird ein solcher Spiegel erwähnt. Man kann so den Weg des zu absorbierenden Lichts (6) um den Faktor zwei erhöhen. Dadurch läßt sich die Konzentration des Farbstoffs in den Kollektoren entsprechend erniedrigen, was sich in einer längeren freien Weglänge des Fluoreszenzlichts auswirkt.
Nun haben aber metallisch reflektierende Spiegel Nachteile in der Praxis.
Die Aufbringung von Spiegelschichten von sehr hoher Güte erfolgt durch Aufdämpfen, das ein teurer Prozess ist. Chemisch niedergeschlagene Spiegel erreichen nicht dieselbe Qualität. Darüberhinaus haben metallische Spiegel nicht die geforderte Langzeitstabilität im Einsatz. Wir konnten zeigen, daß eine diffus streuende Fläche den metallischen Spiegel ersetzen kann. Diffuse Streuer haben die Eigenschaft, das Licht bevorzugt in Richtung der Flächennormalen zurückzuwerfen, ein für diese Anwendung erwünschter Effekt.
Ferner zeichnen sie sich durch hohe Lichtechtheit und geringen Preis aus.
Ein Reflektor dieser Art besteht einfach aus einer weißen Fläche von hoher Albedo, die z. B. aus einer Suspension von Titan oder Magnesiumoxidkristallen realisiert wird 2. Trägerplatte mit Fluoreszenzschicht Das direkt eingestrahlte Sonnenlicht hat bekanntlich einen hohen Anteil infraroten Lichts. Die Umwandlung dieses Anteils mit Fluoreszenzkollektoren auf organischer Basis bereitet Schwierigkeiten, da 1. infrarot emittierende Fluoreszenzfarbstoffe eine große Überlappung des Absorptions-und Emissionsspektrums und keine ausreichende Langzeitstabilität haben und 2. transparente Werkstoffe auf organischer Basis im Infraroten eine zu hohe Absorption besitzen. Nun sind aber anorganische Systeme, z. B. Halbleiter, bekannt, die die geforderten Fluoreszenzeigenschaften haben. Diese können jedoch nicht in organische Kollektoren eingelagert werden. Außerdem haben sie einen hohen Brechungsindex und eine relativ hohe Absorption des Fluoreszenzlichts. Andererseits wird von diesen anorganischen Systemen das Primärlicht so stark absorbiert, daß bereits eine dünne Schicht dieses Stoffes zur fast vollständigen Absorption ausreicht. Ein Kollektor auf dieser Basis (Fig. 2 a) wird nun so aufgebaut, daß eine dünne Schicht des fluoreszierenden Materials (8) auf eine Trägerplatte (9), die im Bereich des emittierten Lichts transparent ist, aufgebracht wird. Auf diese Weise verläuft der Lichtweg des Fluoreszenzlichtes größtenteils in der transparenten Trägerplatte und nur zum geringen Teil in der Fluoreszenzschicht, wo er stark absorbiert wird. Die Trägerplatte kann z. B. ein IR-durchlässiges Glas sein. In derselben Weise kann die Fluoreszenzschicht zwischen zwei Trägerplatten eingelagert werden (Fig. 2 b). Da gewöhnlich der Brechungsindex der anorganischen Fluoreszenzschichten sehr hoch ist, weist diese Schicht eine Lichtleiterwirkung gegenüber der angrenzenden Trägerplatte auf. Das ist unerwünscht wegen der hohen Absorption des Fluoreszenzmediums. Die unerwünschte Lichtleiterwirkung kann unterdrückt werden, indem man der Fluoreszenzschicht eine geometrische Form gibt, die geradlinige Lichtleitung unmöglich macht. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 2 c in einer Dimension gezeigt.
3. Optische Sicherung Ein Problem, das allen konzentrierenden Kollektoren anhaftet, ist das der thermischen Instabilität. Da die Energie konzentriert auf kleiner Fläche auftritt, muß diese Fläche dauernd gekühlt werden. Sollte die Kühlung ausfallen, dann tritt möglicherweise Selbstzerstörung des Absorbers und der angrenzenden Teile des Kollektors auf. Es ist wünschenswert, daß in einem solchen Falle die wertvollen Teile, nämlich die Solarzellen und nach Möglichkeit auch der Kollektor, geschützt werden. Das kann durch eine Vorrichtung geschehen, die bei Überhitzung die Solarzellen bzw. den Absorber und den Kollektor optisch entkoppelt. Eine solche Vorrichtung, die man als optische Sicherung bezeichnen kann, ist z. B. ein transparentes Zwischen- -stück zwischen Absorber und Kollektor, das bei Überhitzung schmilzt. In Fig. 3 ist gezeigt, wie die optische Sicherung 11 zwischen Kollektor 1 und Absorber (oder Solarzelle) 3 angeordnet ist. An den Übergangsstellen ist eine optische Ankopplung vorgesehen. Die optische Sicherung befindet sich noch innerhalb der Wärmeisolation 12, so daß sie nicht an der Lichtumwandlung teilnimmt und aus einem anderen Material als der Kollektor bestehen kann. Es ist vorteilhaft, wenn im Falle eines Versagens der Absorberkühlung die Strahlung wieder in den Kollektor zurückgelenkt wird, der sie infolge seiner großen Fläche in Wärme umwandeln und nach außen abstrahlen kann. Das wird erreicht, indem man die optische Sicherung so gestaltet, daß sich in ihr bei Erhitzen Streuzentren bilden. Dies kann z. B. so realisiert werden, daß die optische Sicherung aus einem Plastikwerkstoff besteht, in dem eine Substanz gelöst ist, die sich beim Erhitzen zersetzt. Die auf diese Weise sich bildenden Gasblasen sind hervorragende Streuzentren. Eine Anordnung dieser Art ist in Fig. 3 b gezeigt. Die optische Sicherung 11 entwickelt bei Erhitzung Streuzentren 13, wodurch der Absorber 3 vom Kollektor 1 abgeschirmt wird. 14 sind spiegelnde oder diffus reflektierende Flächen, die nicht in optischem Kontakt mit 1 und 11 stehen. Durch sie wird erreicht, daß aus dem Winkel der Totalreflexion herausge streute Strahlen außerhalb der Isolation nach außen abgestrahlt werden.
4. Zweistufige Konzentration In unserer früheren Patentanmeldung P 27 37 847.8 war ausgeführt worden, daß es vorteilhaft ist, das Licht an den Kanten des Kollektors weiter zu konzentrieren, um einen möglichst hohen Konzentrationsfaktor des Lichts zu erreichen. Hier soll nun eine weitere Möglichkeit zur Konzentration aufgezeigt werden, die es gestattet, beliebig hohe Konzentrationsfaktoren zu erreichen. Allerdings kann dann das Licht nicht mehr an den Kanten des Kollektors abgenommen werden, sondern muß an kreisförmigen, über die ganze Kollektorfläche verteilten Austrittsflächen entnommen werden. Fig. 4 a zeigt einen rechteckigen Kollektor 1, dessen Kanten verspiegelt (14) sind.
Der Kollektor enthält statistisch verteilt Austrittsstrukturen 15, die das Licht in die Kollektornormale umlenken. Fig. 4 b zeigt einen Schnitt durch den Kollektor mit Austrittsstrukturen. Diese bestehen aus kegelförmigen Vertiefungen 15, die eine Verspiegelung 14 tragen. Auf der Lichtaustrittsseite ist der Lichtempfänger 2,z.B. eine Solarzelle, angeordnet. 10 stellt schematisch den Verlauf eines Lichtstrahls im Kollektor dar. Der Durchmesser ç der Austrittsflächen und der gemittelte Lichtweg t bestimmt die erreichbare geometrische Lichtkonzentration C nach der Beziehung Die Dichte n der Austrittsstrukturen ist Der mittlere Lichtweg wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß er kleiner ist, als die mittlere freie Weglänge des Lichts im Kollektor.
Die hier beschriebene Konstruktion eröffnet die Möglichkeit zu einer weiteren Konzentration des Lichts. Wie in Fig. 6 c gezeigt, kann das Licht an den Austrittsstrukturen in Lichtleiter 16 eingekoppelt und auf eine sehr kleine Empfängerfläche 2 konzentriert werden.

Claims

Patentansprüche öl Vorrichftmg zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische oder Nvärmeenergi bei der das Licht in einer transparenten Schicht, deren Brechungsindex größer als der des umgebenden Mediums ist und die Fluoreszenzzentren enthält (nachfolgend Kollektor oder Konzentrator genannt), aufgefangen und einer Solarzelle oder einem Absorber zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht nach Durchgang durch den oder die Kollektoren auf eine diffus reflektierende Fläche trifft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diffus reflektierende Fläche aus einer weißen Pigmentschicht, z. B. aus einer Suspension aus TiO9, besteht.
3. Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtenergie, bestehend aus mehreren transparenten Schichten, deren Brediungsindcx größer als der des umgebenden Mediums ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten aus einer transparenten Trägerplatte, auf die eine dünne Fluoreszenzschicht aufgebracht ist, besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzschicht zwischen zwei Trägerplatten eingeschlossen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Form der Fluoreszenzschicht so gewählt wird, daß sie keine längeren, geradlinigen Stücke enthält.
G. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, d a d u r c h g e i# e n n z e i c h n e t, daß die Fluoreszenzschicht einen Halbleiter enthält.
7. Vorrichtung zur Umurandlung von Lichtenergie, bestehend aus einer oder mehreren transparenten Schichten, deren Brechungsindex größer als der des umgebenden Mediums ist, und die Fluoreszenzzentren enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kollektor und Absorber (oder Solarzelle) eine Zwischenschicht, optische Sicherung genannt, angeordnet ist, die bei l,berschreitung einer vorgegebenen Temperatur den optischen Kontakt zwischen Kollektor und Absorber unterbricht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sicherung aus einem nlaterialbesteht das bei einer vorgegebenen Temperatur schmilzt oder erweicht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sicherung aus einem Material besteht, in dem sich bei Überschreitung einer vorgegebenen Temperatur Lichtzentren ausbilden.
10. Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtenergie, bestehend aus einer oder mehreren transparenten Schichten, deren Brechungsindex größer als der des umgebenden Atediums ist, und die Fluoreszenzzentren enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Kollektoren allseits verspiegelte Kanten und statistisch über die Fläche verteilt kreiskegelförmige Vertiefungen (Lichtaustritts strukturen), die das Licht in die Flächennormale umlenken, besitzt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der gemittelte Lichtweg bis zur Auskopplung e , gegeben durch wo n die Dichte der Lichtaustrittsstrukturen und 6 deren Durchmesser ist, kleiner als die Lichtreichweite im isotropen Kollektor gemacht wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das aus den Lichtaustrittsstrukturen austretende Licht in eindimensionale Lichtleiter eingekoppelt und weitergeführt wird.