DE2827708A1

DE2827708A1 - Strahlungsverdichter

Info

Publication number: DE2827708A1
Application number: DE19782827708
Authority: DE
Inventors: John Eric Giutronich; David Roy Mills
Original assignee: Unisearch Ltd
Current assignee: Unisearch Ltd
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1978-06-23
Publication date: 1979-01-11
Also published as: IT7824968A0; ES471386A1; IT1108838B; FR2395517A1; BR7803966A; AU3721778A; JPS5418762A; AU522513B2

Description

UNISEARCH LIMITED, 221-227 Anzac Parade, Kensington, New South Wales, Australien

Straiilungsverdichter

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsverdichter sowie einen Strahlungsverteiler. Allgemein handelt es sich bei der Erfindung um eine Gruppe von Strahlungsverdichtern und Strahlungsverteilern, die durch interne Totalreflexion in einem Medium mit hohem Brechungsindex arbeiten.

Somit hat die Erfindung zwei Aspekte, nämlich denjenigen der Strahlungsverdichtung oder -Sammlung und denjenigen

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der Strählungsverteiiung. Es ist aber zu bemerken, daß diese Funktionen durch im wesentlichen dieselben Bauteile erfolgen, die nur in jeweils umgekehrter Richtung arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Strahlungsverdichter, insbesondere solche für Sonnenstrahlung, die in umgekehrter Richtung auch als Strahlungsverteiler verwendet werden können, zu schaffen, welche sich für eine niedrige bis mittlere Konzentration zum wirkungsvollen Heizen im Bereich von 80° bis 150⁰C und zur Strahlungsverdichtung auf Solarzellen eignen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Strahlungsverdichter gelöst, welcher gekennzeichnet ist durch wenigstens ein im wesentlichen keilförmiges Bauteil, welches aus transparentem Material mit hohem Brechungsindex besteht oder ein derartiges Material enthält und an wenigstens einer Innenfläche eine Reflexions fläche sowie an oder nahe einem Ende einen Strahlungsempfänger aufweist, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß Sonnenstrahlung, die auf das Bauteil fällt, intern totalreflektiert und hierdurch zum Einfallen auf den Strahlungsempfänger gebracht wird, und die der Sonnenstrahlung ausgesetzte Fläche des Bauteiles größer ist als die Fläche des Strahlungsempfängers, wodurch Strahlung auf den Empfänger konzentriert wird.

Die erfindungsgemäßen Strahlungsverdichter bilden eine Alternative zur Gruppe der lediglich reflektierenden nicht-abbildenden Strahlungsverdichter oder Strahlungssammler, die im Stand der Technik bereits mehrfach be-

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schrieben wurden. Die erfindungsgemäßen Strahlungsverdichter haben eine deutlich verbesserte Wirkung gegenüber rein reflektierenden, nicht-abbildenden Strahlungsverdichtern, wobei diese verbesserte Wirkung auf die Verwendung des Materials mit hohem Brechungsindex als Mittel der Lichtsammlung zurückgeht.

Erfindungsgemäß kann eine Vielzahl der vorstehend angegebenen Strahlungsverdichter in einer Vielzahl verschiedener Konfigurationen, von denen einige weiter unten beschrieben werden, angeordnet werden. Unter dem Begriff "hoher Brechungsindex" wird ein Brechungsindex von etwa 1,4 oder mehr verstanden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können die Strahlungsverdichter so ausgelegt und konzentriert werden, daß sich Solarstrahlung konzentrieren läßt, indem geeignete Materialien mit dem entsprechenden Brechungsindex für den erforderlichen Wellenlängenbereich ausgewählt werden.

Unter dem Aspekt der Strahlungsverteilung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu verwendet, Strahlung, die von einer hellen Strahlenquelle ausgeht, zu verteilen. Wenn eine helle Strahlungsquelle an der Austrittsapertur des oben beschriebenen keilförmigen Prismas angeordnet wird, so wird die Strahlung gleichförmig über einen festen Winkel verteilt, der gleich dem Aufnahmewinkel des entsprechenden Verdichterprismas ist. Wird eine Quelle verwendet, die im sichtbaren Wellenlängenbereich emittiert, so läßt sich das Prisma als Beleuchtungsquelle mit den nachfolgenden Eigenschaften verwenden:

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1. Es wird eine gleichförmige Beleuchtung über die Austrittsfläche des Prismas erzielt;

2. an den Kanten des Lichtbündels tritt ein ausgezeichnet scharfer Übergang auf;

3. es wird nahezu das gesamte von der Quelle emittierte Licht extrahiert; und

4. es läßt sich eine nützliche Variation in der effektiven Apertur innerhalb des festen

• Beleuchtungswxnkels erreichen. Wenn das Prisma eine horizontale Fläche von einer Seite beleuchtet, beispielsweise, so kann es so orientiert werden, daß eine größere effektive Apertur von Punkten aus gesehen wird, die auf der beleuchteten Fläche weiter weg liegen. Dies gibt die Möglichkeit einer größeren Gleichförmigkeit in der Beleuchtung über die beleuchtete Fläche als dies bei herkömmlichen Lichtreflektoren möglich ist.

Der erfindungsgemäße Strahlungsverteiler ist gekennzeichnet durch ein im wesentlichen keilförmiges Prismenbauteil, welches aus transparentem Material mit hohem Brechungsindex besteht oder ein solches Material enthält und an wenigstens einer Innenfläche eine Reflexionsfläche und an oder benachbart einem Ende eine Strahlungsquelle aufweist, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß die durch die Quelle erzeugte Strahlung intern totalreflektiert und hierdurch zum Austreten aus einer Fläche des keilförmigen Prismenbauteiles veranlaßt wird, wobei diese Fläche größer ist als die Fläche der Quelle, so daß die von der Quelle ausgehende Strahlung im wesentlichen gleichmäßig über einen Festwinkel verteilt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung/ in der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im

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einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 im Querschnitt den grundlegenden Aufbau eines Strahlungsverdichters nach der Erfindung;

Fig. 2 im Querschnitt ein symmetrisches Ausführungsbeispiel eines Strahlungsverdichters, bei dem zwei Samme!einrichtungen verwendet werden;

Fig. 3 eine ähnliche Darstellung eines asymmetrischen Ausführungsbeispieles eines Strahlungsverdichters, bei dem zwei verschiedene Sammler verwendet werden;

Fig. 4 im Querschnitt einen stationären

asymmetrischen "Flachplatten-Strahlungsverdichter, der erfindungsgemäß bei Solarzellen verwendet werden kann;

Fig. 5 im Schnitt einen stationären asymmetrischen "Flachplatten"-Strahlungsverdichter, der erfindungsgemäß zur Heizenergie-Rückgewinnung eingesetzt werden kann; und

Fig. 6 im Schnitt einen Strahlungsvertexler nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist die am stärksten grundlegende Form der verschiedenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Strahlungsverdichters im Schnitt gezeigt. Der Strahlungsverdichter weist dabei, wie dargestellt, einen Keil aus transparentem Material, flüssig oder fest, auf, welches einen hohen Brechungsindex aufweist. An der Unterseite des Keiles 10 ist eine Spiegelfläche 11 vorgesehen. Die obere Oberfläche 12 des Keiles 10 ist der Sonnenstrahlung ausgesetzt, wobei Lichtstrahlen, die auf diese Oberfläche zwischen der Richtung D₁ und D einfallen, durch die erste Grenzfläche bei A gebeugt, von der zweiten (Spiegel) Grenzfläche bei B

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reflektiert und schließlich bei C intern totalreflektiert werden. Alle weiteren Reflexionen, falls derartige auftreten, sind von der durch B oder C definierten Art. Lichtstrahlen, die außerhalb des Richtungsbereiches D. und D„ einfallen, werden bei C nicht intern totalreflektiert. Licht wird an der Ausgangs-Aperturgrenzflache, welche dem Scheitelwinkel des Keiles gegenüberliegt, absorbiert, wobei dort ein Strahlungsempfänger 13 angeordnet ist. Der Strahlungsempfänger kann von vielfältiger Form sein- Der Strahlungsempfänger kann beispielsweise eine Solarzelle sein, für die Strahlungsverdichter nach der Erfindung insbesondere deswegen geeignet sind, weil an der Zellenoberfläche ein kleinerer mittlerer Einfallswinkel gewährleistet ist als bei lediglich reflektierenden nicht-abbildenden Strahlungsverdichtern, wobei dieses Merkmal für die wirkungsvolle Verwendung der Solarzelle von großer Bedeutung ist. Zusätzlich wird die Zellenoberfläche geschützt, wobei schließlich für einen gegebenen Einfallswinkel eine verbesserte Verdichtung oder ein verbesserter Sammeleffekt erreicht werden.

Bei einer vorzugsweisen konstruktiven Ausgestaltung kann das transparente Material des Keiles 10 beispielsweise Wasser, durchsichtiges Glas oder ein geeignetes transparentes Material aus Kunststoff oder auch eine entsprechende Flüssigkeit sein. Der Verdichtungseffekt am Empfänger wird durch das Verhältnis der projezierten Fläche der oberen Oberfläche, welche der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, und der Fläche des Empfängers 13 erhalten. Wenn das transparente Material eine Flüssigkeit ist, so muß natürlich ein Behälter mit geeigneter Form und Konfiguration vorgesehen sein,

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welcher die Flüssigkeit aufnimmt und eine reflektierende Oberfläche aufweist.

Die Abmessungen eines Strahlungsverdichters nach der Erfindung hängen vom Anwendungszweck ab und sind durch die AbsorptionsVerluste begrenzt, die in dem Material, aus dem der Verdichter besteht, auftreten. Werden Solarzellen als Target benutzt, so wird die Größe des Verdichters so gewählt, daß er der Größe der Zellen entspricht. Derzeit sind "typischerweise Solarzellen erhältlich, bei denen die kurze Seite eines keilförmigen Verdichters nicht weniger als 1 cm betragen darf.

Der Verdichter, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist im wesentlichen ein asymmetrischer Verdichter. Wie jedoch in Fig. 2 gezeigt ist, können auch zwei einander ähnliche oder gleiche Keile, die jeweils dieselbe Konstruktion haben, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, so angeordnet werden, daß sie einen symmetrischen Aufbau ergeben wobei der Aufnahmewinkel zwischen den Eichtungen D₁ und D„ liegt. Fig. 3 zeigt eine Zwischenform, die der in Fig. 2 wiedergegeben ähnelt, wobei aber die Keile, die verwendet werden, unterschiedliche Größen haben.

Fig. 4 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem ebenen Verdichter, bei dem eine Vielzahl von Keilen 14a, 14b, 14c etc. tandemartig nebeneinander angeordnet sind. Die Keile sind dabei aus einem einzigen Stück transparenten Glases, Silikonmaterial oder Kunststoff 15 mit dem Zweck gebildet, auf Solarzellen 16a, 16b, 16c etc. eine Sammlungs- und Konzentrationswirkung auszuüben. Die Zellen 16a, 16b etc. können mit den Keil-Austrittsgrenzflächen 17a, 17b, 17c etc. durch

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hochbrechenden optischen Kleber verbunden (oder in das Brechungsmedium eingegossen) sein, um Reflexionen an der Zellen-Oberfläche zu reduzieren. Zwei derartige Verdichter derselben Größe oder mit unterschiedlicher Größe können einander zugewandt unter einem Winkel angeordnet sein, und zwar in der Art und Weise, wie dies bei den Keilen der Fig. 2 und 3 der Fall ist.

Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung eignet sich zur Wärmerückgewinnung, da eine viskose, transparente Flüssigkeit mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet wird, die in Kammern 18a, 18b, 18c etc. aufgenommen ist. Hierfür eignen sich insbesondere Silikonflüssigkeiten, beispielsweise ein hochtransparentes Silikoncl, welches unter der Handelsbezeichnung "Dow Corning Silicone Oil 200" erhältlich ist. Dieses Silikonöl weist die beschriebenen Eigenschaften auf und ist auch im infraroten Spektralbereich unterhalb des Solarspektrums opak. Der einige Verlust, der von jedem Absorptionsrohr 19a, 19b, 19c in einem derartigen System ausgeht, beruht also auf der Wärmeleitung durch die Flüssigkeit und durch eine Bodenisolierung 20. Wenn die Größe des Gerätes ausreichend gewählt wird, können derartige Verluste so klein gehalten werden, daß Arbeitstemperaturen von deutlich oberhalb 100⁰C mittels stationärer Verdichter erhalten werden können. In Fig. 5 gibt die Verwendung einer gekrümmten Reflexionsfläche 21a, 21b im Bereich der Ausgangsapertur die Möglichkeit, daß die Absorber, in diesem Fall die Absorptionsrohre 19a und 19b, eine zylindrische Form haben und in einem größeren Abstand von der oberen Oberfläche 22 angeordnet werden können, wodurch Leitungsverluste verringert werden. Eine zu-

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sätzliche gerkrüinmte Reflexions fläche gibt die Möglichkeit, einen zylindrischen Empfänger beliebigen Querschnittes zu verwenden. Der zylindrische Empfänger hat vorzugsweise die Form eines Metallrohres mit hochabsorbierender schwarzer Oberfläche oder eines Glasrohres, welches eine schwarze, absorbierende Flüssigkeit enthält.

Bei dem Strahlungsverteiler, der in Fig. 6 wiedergegeben ist, wird eine runde zylindrische Quelle, wie ein Fluoreszenz- oder Quecksilberrohr, zu Darstellungsgründen verwendet, obwohl eine beliebige Art einer Quelle in ähnlicher Art verwendet werden kann. In Fig. 6 ist eine runde zylindrische Quelle E gezeigt, die in das Brechungsprismamaterial eingetaucht ist. Das Profil eines Prismenspiegels 23 ist im Bereich der Quelle E gekrümmt, so daß das gesamte Licht, welches von der Quelle E ausgeht, die imaginäre Grenze BC innerhalb eines Festwinkels <a> in der Weise durchquert, daß die gesamte Strahlung innerhalb von uJ ihren Weg aus dem Prisma verteilt über den Festwinkel ABD, der gezeigt ist, findet. Die Krümmung, die im Abschnitt BEC verwendet wird, ist in der US-PS 4 002 499 beschrieben. Wenn eine Quellenüberhitzung einen Luftzwischenraum zwischen der Quelle und dem Brechnungsmaterial erforderlich macht, kann das Brechnungsmaterial von dem Volumen BEC ausgeschlossen und ein Winston-Spiegel verwendet werden. Die Strahlungsenergie, die von dem Winston-Spiegel ausgeht ,wird dann durch die Grenzfläche BC in der Weise gebeugt oder gebrochen, daß sie den gewünschten Festwinkel U) innerhalb des Prismas einnimmt. Andere Quellenkonfigurationen erfordern unterschiedliche Spiegelkrümmungen nahe der Quelle. Winston-Spiegelder in der US-PS 3 957 031 be-

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schriebenen Art können im Bereich BEC ebenfalls verwendet werden.

Die Zusammenfassung einer Vielzahl von Prisma-Illuminatoren zu Moduln in ähnlicher Art, wie dies bei den Verdichterprismen der Fig. 4 und 5 vorgesehen ist, ist möglieh.

Die Verwendung von Prisma-Strahlungsverdichtern ist für jede beliebige elektromagnetische Wellenlänge möglich, vorausgesetzt, daß für die betreffenden Wellenlängen ein geeignetes Material mit der erfoderlichen Transparenz und dem notwendigen Brechungsindex existiert.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen lediglich der Erläuterung und begrenzen den Erfindungsgedanken in keiner Weise.

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Claims

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ANSPRÜCHE

(j^Strahlungsverdichter, gekennzeichnet durch wenigstens ein im wesentlichen keilförmiges Bauteil (10, 14a, 14b, 14c), welches aus transparentem Material mit hohem Brechungsindex besteht oder ein derartiges Material enthält und an wenigstens einer Innenfläche eine Reflexionsfläche sowie an oder nahe einem Ende einen Strahlungsempfänger (13> aufweist, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß Sonnenstrahlung, die auf das Bauteil fällt, intern totalreflektiert und hierdurch zum Einfallen auf den Strahlungsempfänger gebracht wird, und die der Sonnenstrahlung ausgesetzte Fläche des Bauteiles größer ist als die Fläche des Strahlungsempfängers, wodurch Strahlung auf den Empfänger konzentriert wird.
2. Strahlungsverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im wesentlichen keilförmige Bauteile (10, 14a, 14b, 14c} einander zugewandt in symmetrischer Konfiguration angeordnet sind.
3. Strahlungsverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im wesentlichen keilförmige Bauteile

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(10, 14a, 14b, 14c) einander zugewandt angeordnet sind, wobei eines der Bauteile kleiner ist als das andere, so daß sich eine asymmetrische Konfiguration ergibt.
4. Strahlungsverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl keilförmiger Bauteile (10, 14a, 14b, 14c) zum Bilden eines ebenen Verdichters tandemartig nebeneinander angeordnet sind.
5. Strahlungsverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der keilförmigen Bauteile (14a, 14b, 14c) aus einem einzigen Stück festen transparenten Materials mit hohem Brechungsindex hergestellt ist.
6. Strahlungsverdichter mit zwei Verdichtern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichter einander zugewandt symmetrisch angeordnet sind.
7. Strahlungsverdichter mit zwei Verdichtern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichter einander zugewandt angeordnet sind und einer der Verdichter kleiner ist als der andere, wodurch sich eine asymmetrische Konfiguration ergibt.
8. Strahlungsverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (13) oder die Strahlungsempfänger eine Solarzelle bzw. Solarzellen (16a, 16b, 16c) sind.
9. Strahlungsverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes keilförmige Bauteil (10, 14a, 14b, 14c) an seinem breiten Ende eine gekrümmte Reflexions-

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fläche (21a, 21b) aufweist und der Strahlungsempfänger Zylinderform hat.
10. Strahlungsverdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger ein Metallrohr mit hoch absorbierender schwarzer Oberfläche oder ein Glasrohr, welches eine schwarze, strahlungsabsorbierende Flüssigkeit enthält, ist.
11. Strahlungsverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material mit hohem Brechungsindex eine Flüssigkeit ist.
12. Strahlungsverteiler, gekennzeichnet durch wenigstens ein im wesentlichen keilförmiges Prismenbauteil (10, 14a, 14b, 14c), welches aus transparentem Material mit hohem Brechungsindex besteht oder ein solches Material enthält und an wenigstens einer Innenfläche eine Reflexionsfläche und an oder benachbart einem Ende eine Strahlungsquelle aufweist, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß die durch die Quelle erzeugte Strahlung intern totalreflektiert und hierdurch zum Austreten aus einer Fläche des keilförmigen Prismenbauteiles veranlaßt wird, wobei diese Fläche größer ist als die Fläche der Quelle, so daß die von der Quelle ausgehende Strahlung im wesentlichen gleichmäßig über einen Festwinkel verteilt wird.

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