DE2907424A1

DE2907424A1 - Optischer konzentrator fuer streulicht

Info

Publication number: DE2907424A1
Application number: DE19792907424
Authority: DE
Inventors: Eberhard Floegel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-02-26
Filing date: 1979-02-26
Publication date: 1980-08-28

Description

Optischer Konzentrator für Streulicht
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Konzentrator für Streulicht, der sich insbesondere für Sonnenkollektoren und Solarzellen eignet.
Üblich sind heute plattenförmige Sonnenkollektoren, die mit einer oder mehreren Glasplatten abgedeckt sind. Diese Kollektoren sind jedoch in mitteleuropäischen Breitengraden vorwiegend nur für die Brauchwasseraufbereitung geeignet wegen der geringen Aufheizung des Wärmetransportmediums. Ihr Wirkungsgrad sinkt zudem bei niedrigerer Sonneneinstrahlung (bedeckter Himmel) erheblich, so daß im wesentlichen nur die Sonnenscheinstunden wirkungsvoll genutzt werden können. Mit den bekannten rohrförmigen Sonnenkollektoren mit Vakuum können höhere - zur Heißwassererzeugung und für Heizzwecke geeignete -Temperaturen des Wärmetransportmediums bei besserem Wirkungsgrad erziehlt werden; jedoch sind diese Kollektoren wesentlich teurer als Plattenkollektoren. Das gilt auch für den Einsatz optischer Konzentratoren mit Brennpunktwirkung, die dem Sonnenstand nachgeführt werden müssen und außerdem den Nachteil haben, daß Streulicht kaum ausgenutzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die zu erziehlende Temperatur des Wärmetransportmediums und den Wirkungsgrad von Sonnenkollektoren mit möglichst geringem Aufwand zu erhöhen, um damit ihren Einsatz - insbesondere bei verminderter Sonneneinstrahlung (bedeckter Himmel) - wirtschaftlicher zu machen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Kosten für den Einsatz von Solarzellen auf einen Bruchteil der heutigen Kosten zu senken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bekannten Sonnenkollektoren bzw. Solarzellen ein fest montierter optischer Konzentrator vorgeschaltet wird, der in der Lage ist Streulicht über einen ausreichend großen Streuwinkel einzufangen. Der erfindungsgemäße optische Konzentrator besteht dabei aus lichtdurchlässigem Material mit möglichst hohem Brechungsindex und ist im wesentlichen prismaförmig gestaltet, wobei der Konzentrator auch aus zahlreichen kleineren Prismen bestehen kann. Als Material bieten sich Glas oder Kunststoff (z.B.
Acrylglas) an. Die Konzentratorwirkung wird erfindungsgemäß auf folgende Weise erreicht: Die drei Flächen des Prisma dienen als Eintritts-, Reflexions- und Austrittsfläche. Die Lichtstrahlen treten über die Eintrittsfläche ein und treffen entweder direkt auf die Austrittsfläche, oder werden an der verspiegelten Reflexionsfläche und ggf. auch noch an der Eintrittsfläche selbst einmal oder mehrmals total reflektiert, bevor sie auf die Austrittsfläche treffen. Aufgrund des bei Glas üblichen Brechungsindex kann der Winkel zwischen Eintritts-und Reflexionsfläche zwischen 15 und 20 Grad gewählt werden, so daß die Austrittsfläche gegenüber der Eintrittsfläche entsprechend klein ausfällt und dadurch einen Konzentrationsfaktor bis zu ca. 1:4 ermöglicht. Streulicht wird dabei in einem senkrechten Einfallsektor von ca. 90 Grad und in einem waagerechten Einfall sektor von 180 Grad eingefangen - abgesehen von Reflexionsverlusten an der Eintrittsfläche.
Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Konzentrators liegt in seiner einfachen Konstruktion - ohne die sonst bei optischen Konzentratoren übliche Mechanik zur Ausrichtung entsprechend dem Sonnenstand. Dadurch ist eine entsprechend preiswerte Herstellung möglich. Damit gelingt es, preislichen Vorteil einfacher Plattenkollektoren bzw rohrförmiger Kollektoren (ohne Vakuum) mit gesteigertem Wirkungsgrad und höheren erreichbaren Temperaturen des Wärmetransportmediums zu verbinden - insbesondere bei verminderter Sonneneinstrahlung Diese Leistungsverbesserung resultiert aus der Konzentratorwirkung, die mehr Sonnenlicht pro Kollektorfläche konzentriert Gleichzeitig wird entsprechend der Lichtkonzentration bei gleicher Leistung weniger Kollektorfläche benötigt, was die Herstellkosten auch reduziert gegenüber den bisher preiswertesten Sorinenkollektoren ohne optische Konzentratoren Ebenso werden beim Einsatz von Solarzellen entsprechend der Lichtkonzentration weniger Zellen für die gleiche Leistung benötigt und damit eine Senkung der Herstellkosten erziehlt. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Konzentrators liegt auch noch darin, daß das Streulicht ausgenutzt wird, was bei den üblichen optischen Konzentratoren mit Brennpunktwirkung nur in sehr geringem Maße geschieht Anhand der Zeichnungen wird nachstehend der erfindungsgemäße Konzentrator noch näher veranschaulicht Dabei zeigen in rein schematischer Weise: Fig einen prismaförmigen Konzentrator, Fig.2 einen mehrteiligen prismaförmigen Konzentrator, Fig.3 einen Konzentrator entsprechend Figo2 mit Solarzellen, Fig einen mehrteiligen prismaförmigen Konzentrator mit rohrförmigen Sonnenkollektoren, Fig.5 einen plattenförmigen Konzentrator mit rohrförmigen Sonnenkollektoren, Fig.6 einen plattenförmigen Konzentrator mit einem Plattenkollektor, Fig.7-9 einen plattenförmigen Konzentrator mit rohrförmigen Sonnenkollektoren entsprechend Fig.5 in drei weiteren Ausführungsformen, Fig.10 einen plattenförmigen Konzentrator mit vorgelagerter Isolationsplatte, Fig. 11 einen plattenförmigen Konzentrator mit nachgelagerter Isolationsplatte, Fig.1?-20 jeweils einen prisma- bzw. plattenförmigen Konzentrator mit verschieden geformten Austrittsflächen wie folgt: Fig.12 kreisbogenförmig, Fig. 13 parabelförmig, Fig. 14 plan, Fig.15-16 V-förmig konvex, Fig.17 V-förmig konkav, Fig.18 Z-förmig, Fig.19 S-förmig, Fig.20 2-förmig.
In Fig.1 wird das Funktionsprinzip anhand des Strahlenganges dreier Lichtstrahlen - 41, 42 und 43 - dargestellt. Die auf die Eintrittsfläche 10 fallenden Lichtstrahlen werden dabei entsprechend dem Brechungsindex (hier = 1,5) des verwendeten Materiales im Inneren des Konzentrators 1 an der Eintrittsfläche 10 total reflektiert. Die Reflexion an der Reflexionsfläche 20 wird durch die Verspiegelung 21 erzwungen. Die Konzentrationswirkung ergibt sich aufgrund der geringeren Breite der Austrittsfläche 30 gegenüber der Eintrittsfläche 10.
Der erfindungsgemäße Konzentrator ist hier und in allen anderen Figuren ebenso in einem zu seinen Begrenzungsflächen senkrecht verlaufenden Querschnitt dargestellt.
Fig.2 zeigt einen mehrteiligen Konzentrator. Er ist aus einzelnen prismaförmigen Elementen 1 zusammengesetzt. Um eine starke Zuspitzung dieser Elemente 1 zwischen Eintrittsfläche 10 und Reflexionsfläche 20 zu vermeiden, sind die einzelnen Elemente 1 mit einer vierten Fläche 31 versehen, die direkt an der Austrittsfläche 30 des benachbarten Konzentratorelementes 1 anliegt, so daß ein Lichtstrahl 42, der die Austrittsfläche 30 nicht zwischen den Punkten 201 und 302 trifft, über diese Fläche 31 von dem anliegenden Konzentratorelement 1 eingefangen wird. Die Flächen 30 und 31 sollten jeweils mit einem geeigneten Klebstoff verbunden sein. Natürlich kann dieser mehrteilige Konzentrator auch in einem Stück - als einteiliger Konzentrator (plattenförmig) -gegossen werden. Das Funktionsprinzip und der gezeichnete Verlauf der Lichtstrahlen 41 und 42 bleibt dadurch unverändert; Fig.3 zeigt den optischen Konzentrator 1 aus Fig.2 mit Solarzellen 3 versehen, die an der Austrittsfläche 30 direkt aufgeklebt sind. Dadurch werden Reflexionsverluste an der Austrittsfläche vermieden.
Fig.4 zeigt einen mehrteiligen optischen Konzentrator, der an der Austrittsfläche 30 jeweils mit einem rohrförmigen Sonnenkollektor 5 versehen ist. Dieser Sonnenkollektor 5 wird von einem Wärmetransportmedium 51 durchströmt und ist durch einen verspiegelten (61) Reflexionsmantel 6 gegen Wärmeverluste abgedeckt.
Fig.5 zeigt einen plattenförmigen Konzentrator 1 ebenfalls mit rohrförmigen Sonnenkollektoren 5. Der verspiegelte (61) Reflexionsmantel 6 reicht hier über die ganze Rückseite des Konzentrators 1. In dem hier dargestellten Beispiel sind die Reflexionsflächen 20 des Konzentrators 1 unterschiedlich groß ausgeführt. Anhand des Lichtstrahles 41 werden die möglichen Reflexionen an den verschiedenen Flächen dargestellt. Zur besseren Isolation kann der Sonnenkollektor 5 durch eine zusätzliche lichtdurchlässige Platte 7 abgedeckt werden.
Fig. 6 zeigt einen plattenförmigen Konzentrator 1 mit einem Flattenkollektor 5. Die Funktion des verspiegelten Reflexionsmantels 6 ist hier die gleiche wie in Fig.5. Der Strahlenverlauf wird anhand zweier Lichtstrahlen 41 und 42 dargestellt.
Der Kollektor 5 ist zur besseren Isolation mit einer Platte 7 aus lichtdurchlässigem Material abgedeckt.
Fig.7 zeigt einen plattenförmigen Konzentrator 1 mit rohrförmigen Kollektoren 5 zwischen seiner Rückseite und einer verspiegelten (81) Reflexionswand 8, die genau parallel zum Konzentrator angeordnet ist. Die Austrittsflächen 30 sind V-förmig gestaltet und die Reflexionsflächen doppelseitig verspiegelt (21).
Fig.8 zeigt einen Konzentrator 1 wie in Fig.7, nur ist hier die Reflexionswand durch einzelne Reflexionsmäntel 6 ersetzt, die jeweils einen rohrförmigen Kollektor 5 umschließen. Dabei werden Lichtstrahlen (41 und 42), im Gegensatz zu der in Fig.5 gezeigten Lösung, von zwei Seiten aus auf den Kollektor gelenkt. Die Reflexionsmäntel sind hier nahtlos miteinander verbunden.
Fig.9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Lösung aus Fig.8.
Die Figuren 11 und 12 zeigen eine Möglichkeit, die Isolationswirkung des erfindungsgemäßen plattenförmigen Konzentrators zu erhöhen.
Die Figuren 12 bis 20 zeigen verschiedene Formen von Austrittsflächen, die der Verminderung von Reflexionsverlusten dienen.
Die erfindungsgemäßen Konzentratoren wurden hier in senkrechter Anordnung dargestellt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie die - in mitteleuropäischen Breitengraden - tieferstehende Wintersonne optimal ausnutzt, da Streulicht in dem Bereich zwischen senkrechtem und waagerechtem Lichteinfall vollständig eingefangen wird (bis auf Reflexionsverluste beim Eintritt in den Konzentrator und ggf. an seinen Austrittsflächen). Bei überwiegend steilerem Lichteinfall ist jedoch eine waagerechte bzw.
schräge Anordnung günstiger. Die senkrechte Anordnung hat außerdem den Vorteil, daß sie eine leichte und preiswerte Montage an z.B. einer Hauswand ermöglicht. Dies erleichtert auch gegenüber der üblichen Dachmontage die regelmäßige Reinigung der Konzentratoroberfläche.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere können die Austrittsflächen des Konzentrato-s und seine Anordnung bezüglich des Sonnenstandes variiert und alle bekannten Arten von Kollektoren und Solarzellen eingesetzt werden. Außerdem kann die Konzentrateroberfläche auf bekannte Weise z.B gegen Reflexionsverluste behandelt werden - Patentansprüche -

Claims

P A T E N T A N S P 1? tJ 0 H E J 2Optischer Konzentrator aus lichtdurchlässigem Material mit möglichst hohem Brechungsindex, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß er im wesentlichen prismaförmig gestaltet ist, d.h. mit drei Seitenflächen - Eintrittsfläche, Reflexionsfläche und Austrittsfläche - und zwei Grundflächen, und daß die Eintritts- (10) und die Reflexionsfläche (20) vorzugsweise plan sind und in einem spitzen Winkel von weniger als 30 Grad zueinander stehen und die Reflexionsfläche (20) so verspiegelt ist (21), daß innerhalb des Konzentrators (1) verlaufende Lichtstrahlen (41,42 und 43) an ihr reflektiert werden, und die Kante (301) zwischen Eintrittsfläche und Austrittsfläche und diejenige (302) zwischen Reflexionsfläche und Austrittsfläche vorzugsweise einen wesentlich kleineren Abstand voneinander haben als ihr åeweiliger Abstand zur dritten Kante (102) zwischen Eintritts- und Reflexionsiläche.
2. Optischer Konzentrator aus lichtdurchlässigem Material mit möglichst hohem Brechungsindex, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß er im wesentlichen eine plattenförmige Gestaltung aufweist, wobei die Vorderseite aus einer vorzugsweise planen Eintrittsfläche (10) besteht, während die Rückseite eine sägezahnförmige Gestaltung aufweist derart, daß sich über die ganze Breite des Konzentrators verlaufende schmale und vorzugsweise rechteckige Reflexionsflächen (20) mit ebensolchen Austrittsflächen (30) abwechseln, wobei die Reflexionsflächen verspiegelt (21) und vorzugsweise plan sind und in einem spitzen Winkel von weniger als 30 Grad zur Eintrittsfläche (10) angeordnet sind und die Austrittsflächen wesentlich schmaler sind als die Reflexionsflächen.
- Patentansprüche - 3. Optischer Konzentrator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Konzentratorelemente (1) mit ihrer Eintrittsfläche (10) aneinandergereiht sind, so daß sich ihre einzelnen Eintrittsflächen zur gesamten Eintrittsfläche des Konzentrators addieren, wobei die Kante zwischen Eintritts- und Reflexionsfläche des einzelnen Konzentratorelementes zu einer schmalen Fläche (31) verbreitert ist, die nahtlos an die Austrittsfläche (30) des benachbarten Konzentratorelementes anschließt, so daß ein Lichtstrahl (42) aus diesem benachbarten Konzentratorelement hier eindringen kann.
4. Optischer Konzentrator nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Austrittsfläche/n (30) vorzugsweise plan ist/sind und möglichst lückenlos mit bekannten Solarzellen (3) abgedeckt ist/sind, wobei die Solarzellen vorzugsweise direkt auf die Austrittsfläche geklebt sind.
5. Optischer Konzentrator nach Anspruch 1 oder 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an der/n Austrittsfläche/n (30) ein bekannter rohrförmiger Sonnenkollektor (5) angebracht ist, der allseitig - bis auf die Austrittsfläche (30) und ggf. einem anschließenden Teil der doppelseitig verspiegelten (61) Reflexionsfläche (20) eines benachbarten Konzentratorelementes (1) - von einem verspiegelten (61) Reflexionsmantel (6) umgeben ist.
6. Optischer Konzentrator nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Fflexionsflächen (20) zumindest teilweise beidseitig reflektierend beschichtet sind derart, daß auch von außen auftreffende Strahlen von ihnen reflektiert werden.
7. Optischer Konzentrator-nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Breite der Reflexionsflächen (20) unterschiedlich ist und/oder die Austrittsflächen (30) unterschiedlich geformt sind.
- Patentansprüche - 8. Optischer Konzentrator nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß auf der Rückseite zumindest ein zusätzllcher Reflexionsmantel (6) angebracht ist, der überwiegend in einem spitzen Winkel zur Vorderseite - vorzugsweise parallel zu den Reflexionsflächen (20) - des Konzentrators (1) verläuft und so verspiegelt ist (61), daß Lichtstrahlen (41 und 42), die aus den Austrittsflächen (30) austreten, reflektiert und in Verein mit den Reflexionsflächen (21) des Konzentrators (1) auf Solarzellen oder einen bekannten Sonnenkollektor (5) - wie Plattenkollektor oder rohrförmigen Kollektor -gelenkt werden.
9. Optischer Konzentrator nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß auf der Rückseite zumindest ein zusätzlicher verspiegelter (61) Reflexionsmantel (6) angebracht ist, der an seinem einen Ende die Verlängerung einer Reflexionsfläche (20) des Konzentrators (1) bildet und an seinem anderen Ende eine Austrittsfläche (30) des Konzentrators vorzugsweise halbkreisförmig umschließt und in seinem mittleren Teil vorzugsweise annähernd parallel zur Eintrittsfläche des Konzentrators verläuft, wobei zwischen dem Reflexionsmantel und vorzugsweise derjenigen Reflexionsfläche (20), deren benachbarte Austrittsfläche (30) vom Reflexionsmantel (6) umschlossen wird,.ein rohrförmiger Sonnenkollektor (5) angeordnet ist.
10. Optischer Konzentrator nach Anspruch 8cder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sonnenkollektor mit zumindest einer zusätzlichen Platte (7) aus lichtdurchlässigem Material so abgedeckt ist, daß diese Platte eine dichte Verbindung zwischen Reflexionsmantel (6) und einer Reflexionsfläche (20) des Konzentrators (1) bzw. einem gegenüberliegenden Teil dieses Reflexionsmantels (6) herstellt.
11. Optischer Konzentrator nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß auf der Rückseite eine Reflexionswand (8) angebracht ist, die auf der der Rückseite des Konzentrators (1) zugewandten Oberfläche verspiegelt (81) ist - Patentansprüche -und vorzugsweise parallel zur Eintrittsfläche (10) des Konzentrators verläuft, und daß in dem Raum zwischen Reflexionswand (8) und Rückseite des Konzentrators (1) vorzugsweise parallel verlaufende rohrförmige Kollektoren (5) angebracht sind.
12. Optischer Konzentrator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß vor der Eintrittsfläche (10) des Konzentrators (1) und vorzugsweise parallel zu ihr eine zusätzliche Platte (2) aus lichtdurchlässigem Material angebracht ist, wobei sich im Raum (9) zwischen dieser Platte (2) und der Eintrittsfläche (10) ein Vakuum befinden kann.
13. Optischer Konzentrator nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e 1 c h n e t , daß auf der Rückseite des Konzentrators (1) in geringem Abstand eine zusätzliche Platte (2) aus lichtdurchlässigem Material angebracht ist, wobei sich im Raum (9) zwischen dieser Platte (2) und der Rückseite des Konzentrators (1) ein Vakuum befinden kann.
14. Optischer Konzentrator nach Anspruch 1oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zumindest eine Austrittsfläche (70) vorzugsweise plan ist und zu den Reflexionsflächen (20) in einem spitzen Winkel und zu den Eintrittsflächen (10) in einem stumpfen Winkel verläuft o d e r V-förmig konkav oder V-förmig konvex oder Z-, S- oder 2-förmig oder kreisbogen- oder parabelförmig ausgebildet ist.