DE2840094C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Konzentrator für optische Strahlung mit wenigstens einem Vorder- und Rückteil, die auf ihren jeweils einander zugewandten Seiten als lineares Stufengitter ausgebildet sind, wobei die beiden Stufengitter um 90° gegeneinander verdreht sind und der Vorderteil als eindimensionale Linse ausgebildet ist.

Bei einem bekannten derartigen Konzentrator (DE-OS 23 17 830), der einen Durchlicht-Arbeitsprojektor darstellt, sind der Vorder- und der Rückteil als eindimensionale Linse ausgebildet, um für einen verbesserten Blendschutz und eine gute Aus­ leuchtung des Arbeitsfeldes zu sorgen.

Bekannt ist ferner ein Sonnenkollektor (US 36 13 659), der lediglich aus grob gestuften Spiegeln besteht, die auch in der zweiten Koordinate sammelnde Wirkung haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Konzentrator für optische Strahlung der eingangs erwähnten Art so auszu­ bilden, daß die einfallende Strahlung einfallseitig vor dem Konzentrator mit hohem Wirkungsgrad gesammelt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rückteil als Fresnelspiegel ausgebildet ist, dessen Stufen­ winkel und damit Brennweite so mit denjenigen des Vorder­ teils abgestimmt sind, daß die Strahlung in einem einfall­ seitig vor dem Vorderteil liegenden Brennfleck konzentriert wird, und daß Vorder- und Rückteil fest miteinander verbunden sind.

Vorzugsweise ist wenigstens eine weitere Einheit aus Vorder- und Rückteil vorhanden, die die einfallende Strahlung auf den gleichen Brennfleck richtet. Die Lichteinfallseite des Vorderteils ist vorzugsweise im wesentlichen optisch glatt, und der Vorder- und der Rückteil sind jeweils mit einer Anlagefläche zur beidseitigen Verbindung versehen. Die Verbindung von Vorder- und Rückteil kann durch einen optisch klaren Kleber gegeben sein, dessen Brechzahl unter­ schiedlich von der des Vorderteils ist. Der Vorder- und der Rückteil kann durch eine optisch klare Schutzabdeckung gebildet sein, die beidseitig auf einer beidseitig die linearen Stufengitter aufweisenden Platte aufgebracht sind.

Der erfindungsgemäße Konzentrator gewährleistet, daß die einfallende Strahlung einfallseitig vor dem Konzentrator mit hohem Wirkungsgrad gesammelt wird.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzentrators werden nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:

Fig. 1 eine Perspektivdarstellung einer Ausführungsform eines Konzentrators mit einem einen Reflektor dar­ stellenden linearen Stufengitter, das gegen ein einen Refraktor darstellendes lineares Stufengitter um 90° verdreht ist, wobei eine kleinflächige Fokussierung der einfallenden Strahlung schematisiert dargestellt ist,

Fig. 2 ein vertikaler Schnitt auf der Linie 2-2 der Fig. 1, der schematisiert die vertikale Bahn eines durch den Konzentrator laufenden Meridionalstrahls zeigt,

Fig. 3 ein waagerechter Schnitt auf der Linie 3-3 der Fig. 1, der schematisiert die waagerechte Bahn eines durch den Konzentrator verlaufenden Meridionalstrahls zeigt,

Fig. 4 ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Konzentrators, der an den Kanten dicht abgeschlossen ist,

Fig. 5 ein Schnitt einer weiteren Ausführungsform eines plattenförmigen Konzentrators mit einem optisch klaren Kleber im Raum zwischen den linearen Stufen­ gittern des Vorder- und Rückteils des Konzentrators,

Fig. 6 ein Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Konzentrators, dessen Vorder- und Rückteil durch eine optisch klare Schutzabdeckung gebildet sind,

Fig. 7A und 7B beispielhafte Matrixanordnungen für den Vorderteil bzw. den Rückteil des Konzentrators,

Fig. 8 eine schematisierte Darstellung der versetzten Fokussierung normal einfallender Strahlung durch den Konzentrator,

Fig. 9 schematisiert die versetzte Fokussierung nicht normal einfallender Strahlung durch den Konzentrator, und

Fig. 10 schematisiert die gemeinsame Fokussierung normal und nicht normal einfallender Strahlung durch einen kombiniert zusammengesetzten Konzentrator.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines plattenförmigen Konzentrators 10 für optische Strahlung, der einen einen Refraktor darstellenden Vorderteil 11 in Form einer optisch klaren Schicht 15 mit Hauptflächen auf der Vorder- und der gegenüberliegenden Rückseite aufweist, die als glatte Ober­ fläche 12 bzw. als lineares Stufengitter 13 ausgebildet sind. Das lineare Stufengitter 13 besteht aus einer Gruppen­ anordnung aus im wesentlichen parallelen Stufen 14-14. Der Konzentrator 10 weist weiter einen einen Reflektor dar­ stellenden Rückteil 16 aus einer Schicht 17 mit einem linearen Stufengitter 18 auf der Seite auf, die dem linearen Stufengitter 13 des Vorderteils 11 zugewandt ist. Der Rück­ teil 16 ist räumlich so angeordnet, daß er das lineare Stufengitter 13 berührt. Das lineare Stufengitter 18 besteht aus einer Gruppenanordnung paralleler Stufen 19-19, die reflektierende Flächen bilden. Vorzugsweise reflektiert das lineare Stufengitter 18 spiegelnd und es kann z. B. durch Ablagern von Metall auf den vorgeformten Stufen 19-19 her­ gestellt werden.

Wie Fig. 1 zeigt, sind die linearen Stufen 19-19 des linearen Stufengitters 18 zu den linearen Stufen 14-14 des linearen Stufengitters 13 um 90° verdreht, so daß die auf die glatte Vorderseite 12 des Vorderteils 11 einfallende Strahlung auf einen Brennfleck (p) vor dem Konzentrator fokussiert wird. Die in diesem Zusammenhang benutzte Definition "vor" soll den dreidimensionalen Raum auf der der einfallenden Strahlung zugewandten Seite einer Ebene bezeichnen, die in die Konzen­ tratorebene fällt. "Vor" beinhaltet auch den Raum unmittelbar vor dem Konzentrator.

Die Größe des Brennflecks (p) und der Anteil der einfallenden Strahlung, der in (p) gesammelt bzw. dort fokussiert wird, hängt von Faktoren wie den Stufenwinkeln der Stufengitter des Vorder- und des Rückteils und der Herstellungsgenauig­ keit der linearen Stufen 14-14 und 19-19 der Stufengitter 13 bzw. 18 ab. Typischerweise erbringt der Konzentrator eine zufriedenstellende Leistung, wenn das lineare Stufen­ gitter 13 und das lineare Stufengitter 18 unter einem Winkel von 90°±5° gegeneinander verdreht wird.

Das lineare Stufengitter 13 hat die Struktur einer linearen Stufenlinse und kann als solche angesehen werden. Eine solche Struktur stellt eine lineare Fresnellinse und das Analogon einer massiven Zylinderlinse dar und kann Strahlung auf eine Brennlinie fokussieren. Das lineare Stufengitter 13 und das lineare Stufengitter 18 sind so ausgelegt, daß sie Licht gemeinsam fokussieren, nicht aber getrennte Elemente mit getrennten Brennlinien sind, die zur Bildung eines Brenn­ flecks zusammenwirken.

Die Fokussierwirkung des plattenartigen Konzentrators 10 für optische Strahlung läßt sich anhand vereinfachter Meridionalstrahlgänge durch einzelne lineare Stufen 14, 19 in der XZ- bzw. der XY-Ebene untersuchen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird in der XZ-Ebene der einfallende Strahl an der Luftgrenze zur glatten Vorderseite 12 des Vorderteils 11 und an der Luftgrenze zur linearen Stufe 14 des linearen Stufengitters 13 gebeugt, dann von der linearen Stufe 19 des linearen Stufengitters 18 gespiegelt und schließlich an der Luftgrenzfläche der linearen Stufe 14 und der glatten Vorderseite 12 des Vorderteils 11 erneut gebeugt, wenn er durch den Vorderteil 11 hindurch zum Brennfleck (p) läuft. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, wird der Strahl in der XY-Ebene an der Luftgrenzfläche der glatten Vorderseite 12 des Vorderteils 11 und der linearen Stufe 14 des linearen Stufen­ gitters 13 gebeugt, dann an der linearen Stufe 19 des Stufen­ gitters 18 reflektiert und schließlich an der linearen Stufe 14 und der glatten Vorderseite 12 erneut gebeugt, wenn er den Vorderteil 11 zum Brennfleck (p) durchläuft.

Diese vereinfachten zweidimensionalen Strahlengänge erläutern die Arbeitsweise des Konzentrators 10 und sind außerdem nütz­ lich zur Bestimmung der Stufenwinkel des Vorderteils 11 und des Rückteils 16. In Fig. 2 ist der Stufenwinkel des linearen Stufengitters 13 des Vorderteils 11 der Winkel (α) zwischen der Fläche 32 und der Fläche 12. Fig. 3 zeigt den Stufen­ winkel (β) des linearen Stufengitters 18 des Rückteils 16 zwischen der Fläche 34 und der Fläche 40. Die Strahlbahnen durch den Konzentrator 10 und damit die Fokussierung der Lichtstrahlen werden vorzugsweise eingestellt bzw. geändert, indem die Winkel (α) und (b) der einzelnen linearen Stufen 14 bzw. 19 der linearen Stufengitter 13 bzw. 18 des Vorderteils 11 bzw. des Rückteils 16 geändert werden. Häufig ist es erwünscht, die Anfangswerte der Winkel (α) und (β) eines zweidimensionalen Strahlgangs unter Benutzung einer dreidimensionalen Strahlführung zu optimieren.

Die in Fig. 1 gezeigte einwärts gewandte Strukturierung der linearen Stufengitter 13 und 18 des Vorderteils 11 und des Rückteils 16 reduziert die Beeinträchtigung der­ selben durch Wind, Regen, Sonne usw., da die Außenflächen glatt sind und sich der Konzentrator 10 daher leicht säubern läßt. Der plattenförmige Konzentrator 10 kann auch gegen die Umwelt dicht abgeschlossen werden. Beispielsweise können der Vorderteil 11 und der Rückteil 16 an zueinander passenden, nicht gestuften Bereichen auf der Rückseite der optisch klaren Schicht 15 und an der Vorderfläche der Schicht 17 des Rückteils 16 miteinander verbunden werden. Wie Fig. 4 zeigt, sind der Vorder- und der Rückteil 11 und 16 jeweils mit einer Anlagefläche 23 bzw. 24 zur beidseitigen Ver­ bindung versehen, die beispielsweise mit einem nicht darge­ stellten Kleber miteinander verbunden sind. Weiterhin kann eine Stützplatte 21, deren gestrichelter Umriß in Fig. 4 gezeigt ist, auf der Rückseite des Rückteils 16 so befestigt werden, daß der Vorderteil 11 und der Rückteil 16 sich als dünne Elemente herstellen lassen und nicht selbsttragend zu sein brauchen.

Alternativ kann, wie in Fig. 5 gezeigt, ein optisch klarer polymerer Kleber 22 eingesetzt werden, dessen Brechungsindex niedriger als der der klaren Schicht 15 des positiven linearen Stufengitters 13 bzw. bei negativem linearen Stufengitter höher als der der Schicht 15 ist, um den Raum zwischen den einwärts gewandten linearen Stufen 14-14 und den linearen Stufen 19-19 zu füllen und das lineare Stufengitter 13 am linearen Stufengitter 18 zu befestigen. Wenn die optisch klare Schicht 15 z. B. aus Celluloseacetat­ butyrat (CAB) besteht, eignet sich als Kleber Polyperfluor­ octylsulfonamidäthylacrylat. Die Anlageflächen 23, 24 der Ausführungsform des Konzentrators gemäß Fig. 4 ent­ fallen dann. Es treten keine Luftgrenzflächen am linearen Stufengitter 13 des Vorderteils 11 und am linearen Stufen­ gitter 18 des Rückteils 16 auf.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, sind bei einer weiteren Aus­ führungsform des Konzentrators das Vorder- und das Rück­ teil durch eine optisch klare Schutzabdeckung 43 bzw. 44 gebildet, die flache glatte Außenflächen aufweisen, um ihre Säuberung zu erleichtern. Eine Platte 42 weist beidseitig die linearen Stufengitter 14 bzw. 19 auf. Die Schutzab­ deckungen 43 und 44 sind beidseitig auf der beidseitig die linearen Stufengitter aufweisenden Platte aufgebracht, wobei die Befestigung auf unterschiedliche Weise gegeben sein kann. Wie Fig. 6 zeigt, ist die flache Innenfläche der optisch klaren Schutzabdeckung 43 mit einem optischen klaren polymeren Kleber 45 auf dem den Refraktor darstellenden linearen Stufengitter befestigt, während die glatte Innen­ fläche der Schutzabdeckung 44 an dem den Reflektor dar­ stellenden linearen Stufengitter mit einem Kleber 46 be­ festigt ist, der nicht optisch klar zu sein braucht.

Der Aufbau dieser Ausführungsform des Konzentrators eignet sich für die Herstellung großflächiger Konzentratoren, indem programmierte Matrixanordnungen einzelner Vorder- und Rück­ teile eingesetzt werden, die von dem Vorderteil 11 und dem Rückteil 16 des Konzentrators 10 gemäß Fig. 1 abgeleitet sind. Derartige Matrixanordnungen sind brauchbar für Hoch­ leistungsanwendungen wie z. B. für Wärmemaschinen.

Wie aus den Fig. 7A und 7B hervorgeht, finden bei der Refraktormatrix 31 und die mit ihr zusammenwirkende Reflektor­ matrix 36 typischerweise Reihen und Spalten aus Vorderteilen und Rückteilen Verwendung. Die Matrix 31 gemäß Fig. 7A weist Reihen einzelner linearer Stufengitter 1 bis 6 auf, die parallel zur waagerechten Symmetrieachse 37 verlaufen. Die Matrix 36 gemäß Fig. 7B weist Spalten linearer Stufengitter A bis F auf, die parallel zur vertikalen Symmetrieachse 38 verlaufen.

Entsprechende Reihen und Spalten auf gegenüberliegenden Seiten der Symmetrieachsen 37, 38 sind relativ zueinander umgekehrt angeordnet, d. h. die Symmetrieachsen 37 und 38 teilen ihre zugehörige Matrix 31 bzw. 36 zu spiegelbildlich liegenden Hälften auf. Werden die Refraktormatrix 31 und die Reflektormatrix 36 mit sich kreuzenden Symmetrieachsen 37, 38 zusammengebracht, wirken sie unter Bildung eines kleinen Brennflecks zusammen, in dem sich einfallendes Sonnenlicht auf die gleiche Weise sammelt wie bei der Ausführungsform des Konzentrators 10 nach Fig. 1.

Ein 28×28 cm großer plattenförmiger Konzentrator 10 wurde entsprechend der Fig. 1 aufgebaut. Bei den Schichten 15, 17 handelt es sich um Polymethylmethacrylat (PMMA; n=1,49) mit 1,97 linearen Stufen pro Millimeter, gemessen auf einer zur Längsausdehnung der Stufen rechtwinkligen Linie. Die Schichten 15, 17 hatten eine Dicke (t) von 1,52 mm. Auf die Fläche 34 (Fig. 3) wurde eine spiegelnd reflektierende Aluminiumschicht aufgedampft. Unter Anwendung der Strahlgang­ analyse wurden die Winkel (α) und (β) so bemessen, daß sich ein Auffangwirkungsgrad von 0,95 ergab, d. h., es wurden Winkel (α) und (β) verwendet, die einen Durchmesser des kleinen Brennflecks (p) ergaben, für den 95% der über­ tragenen Strahlen durch den Brennfleck verlaufen, und der für den Konzentrator mit Abmessungen von 28×28 cm etwa 19 mm betrug.

Ein großflächiger Konzentrator von beispielsweise 335×335 cm läßt sich leicht aus einer Vielzahl 28×28 cm-Platten in der Matrixanordnung gemäß Fig. 7A und 7B zusammensetzen. Ausgehend von einem Brennfleck mit einem Durchmesser von 19 mm eines Konzentrators von 28×28 cm ergibt ein Brenn­ radius von etwa 100 mm einen Auffangwirkungsgrad von 0,95 für die Matrixanordnung von 335×335 cm. Die Leistung im Brennbereich in Watt läßt sich wie folgt abschätzen:

W = H × AC × TR × CE,

wobei

H = Sonnenflußdichte auf dem Konzentrator zu etwa 1075 W/m² angenommen wird,
AC = Fläche der Konzentratorplatten ist,
TR = Transmissions- und Reflexionswirkungsgrade sind, ein Transmissionsgrad 0,96 pro Grenzfläche und ein Reflexionsgrad 0,88 pro Reflexion ergibt
TR = (0,96)⁴(0,88) = 0,075 - und
CE = Auffangwirkungsgrad zu 0,95 angenommen wird.

Für einen großflächigen Konzentrator von 335×335 cm, der 95% der übertragenen Sonnenstrahlung in einen Brennkreis mit einem Radius von 100 mm bei 335 cm konzentriert, ergibt sich die Leistung dann angenähert zu

W = 100 × 121 × 0,75 × 0,95 = 8,5 kW

Die Matrixanordnung gemäß Fig. 7A, 7B kann auch variiert werden. Z. B. kann die Plattenzahl in den Reihen (Spalten) reduziert werden, indem ausgepreßte Linsen größerer Breite (Höhe) verwendet werden.

Die Vorder- und Rückteile der einzelnen Konzentratoren können so aufgebaut sein, daß sie normale, unter einem Winkel von 90° zum Konzentrator einfallende Sonnenstrahlung auf einen Punkt einer optischen Achse 47 (Fig. 1) fokussieren, die rechtwinklig zum Konzentrator und durch dessen Mittel­ punkt verläuft. In diesem Fall liegt der Brennpunkt in der Bahn der rechtwinkligen bzw. normal einfallenden Strahlen. Ein derartiger Aufbau wird daher als "normal fokussierend" bezeichnet. Es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich, die die Abschattung der einfallenden Strahlung durch einen nicht dargestellten Flußabsorber reduzieren oder vermeiden. Wie schematisiert in Fig. 8 dargestellt ist, richtet z. B. ein Sonnenkonzentrator oder ein matrixförmiger Konzentrator 25, bei dem von Matrixanordnungen 31 und 36 gemäß Fig. 7A bzw. Fig. 7B abgeleitete Matrixanordnungen bzw. ein Einzel­ konzentrator, basierend auf dem plattenförmigen Kondensator 10 gemäß Fig. 1 Anwendung finden, Normalstrahlung auf einen Brennfleck (p), der außerhalb der Bahn der einfallenden Strahlen liegt. Auf diese Weise läßt sich die Abschattung reduzieren oder eliminieren. Eine solche Anordnung wird als "normal versetzt" bezeichnet.

Alternativ kann, wie in Fig. 9 verdeutlicht, eine Solar­ platte oder ein matrixförmiger Konzentrator 26 zur Fokussierung nicht normaler Strahlung auf einen versetzten Brennfleck programmiert werden, um die Abschattung nicht normaler Strahlung zu verhindern. Es ist auch eine "nicht normale" Anordnung möglich, d. h. eine Anordnung, bei der der Brennfleck in der Bahn der nicht normal einfallenden Strahlung liegt.

Weiterhin sind auch Kombinationen der normalen, normal versetzten, nicht normalen und nicht normal versetzten Fokussierung möglich. Wie beispielsweise aus Fig. 10 hervor­ geht, weist ein Kombinationskonzentrator 27 mittig einen normal fokussierenden Kondensator 10 und seitlich nicht normal versetzt fokussierende plattenförmige Konzentratoren 26, 26 auf.

Im Gegensatz zu den in Fig. 7A, 7B gezeigten Matrixan­ ordnungen 31, 36 sind die nicht normalen und versetzten Matrixanordnungen gewöhnlich nicht spiegelbildlich halbiert ausgeführt, da, wie sich aus den Fig. 8, 9 ergibt, das Licht in den nicht normalen und versetzten Anordnungen nicht symmetrisch geführt werden kann.

Die Aufnahme von Anordnungen mit versetzter oder nicht normaler Fokussierung in herkömmliche einteilige Konzen­ tratoren erfordert komplizierte Formen und schwierige und teure Herstellungsverfahren. Infolge der Radialsymmetrie kann ferner ein kreisrunder Fresnelreflektor nicht nicht normale Strahlung auf einen versetzten Brennpunkt richten, wie aus Fig. 9 hervorgeht. Mit einem einzelnen platten­ förmigen Konzentrator oder einer Matrixausführung lassen sich jedoch versetzte, nicht normale und andere konstruktive Anordnungen leicht erreichen.

Claims (6)

1. Konzentrator für optische Strahlung mit wenigstens einem Vorder- und Rückteil, die auf ihren jeweils einander zugewandten Seiten als lineares Stufengitter ausgebildet sind, wobei die beiden Stufengitter um 90° gegeneinander verdreht sind und der Vorderteil als eindimensionale Linse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückteil (16) als Fresnelspiegel ausgebildet ist, dessen Stufen­ winkel und damit Brennweite so mit denjenigen des Vorder­ teils (11) abgestimmt sind, daß die Strahlung in einem einfallseitig vor dem Vorderteil (11) liegenden Brenn­ fleck (p) konzentriert wird, und daß Vorder- und Rück­ teil (11 bzw. 16) fest miteinander verbunden sind.

2. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere Einheit aus Vorder- und Rückteil vorhanden ist, die die einfallende Strahlung auf den gleichen Brennfleck (p) richtet.

3. Konzentrator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichteinfallseite des Vorderteils (11) optisch im wesentlichen glatt ist.

4. Konzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Vorder- und Rückteil (11 bzw. 16) jeweils mit einer Anlagefläche (23 bzw. 24) zur beiderseitigen Verbindung versehen sind.

5. Konzentrator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung von Vorder- und Rückteil (11 bzw. 16) durch einen optisch klaren Kleber (22) gegeben ist, dessen Brechzahl unterschiedlich von der des Vorderteils (11) ist.

6. Konzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Vorder- und Rückteil (43, 45 bzw. 44, 46) durch eine optisch klare Schutzabdeckung gebildet sind, die beidseitig auf einer beidseitig die linearen Stufengitter aufweisenden Platte (42) aufge­ bracht sind.