DE2910142A1

DE2910142A1 - Anordnung zur umwandlung von sonnenenergie in elektrische und/oder waermeenergie

Info

Publication number: DE2910142A1
Application number: DE19792910142
Authority: DE
Inventors: Guenter Pruss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-03-15
Filing date: 1979-03-15
Publication date: 1980-09-25

Description

Anordnung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektri-
sche und/oder Wärmeenergie Die erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische und/oder Wärme-Energie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung und/oder zur Raumheizung ist noch immer beschränkt. Zwar konnte der technische Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Sonnenenergie durch verbesserte Kollektoren und Solarzellen erhöht werden, Jedoch ist der technische und finanzielle Aufwand der bekannten Anlagen und Vorrichtungen so hoch und beispielsweise die Solarzellen so teuer, daß eine wirklich wirtschaftliche Nutzung der Sonnenenergie noch nicht oder nur in wolkenarmen, warmen Gegenden möglich ist.
Um auch diffuses Licht bei bewölktem Himmel durch Konzentration auf kleine Flächen besser zu nutzen, ist ein Sonnenkollektor bekannt geworden, der aus einer dünnen, beispielsweise dreieckigen Acrylglasplatte mit eingelagerten, fluorszierenden #arbmolekülen besteht. Bevorzugte Wellenlängen des auf die Plattenfläche treffenden Lichtes werden von den Farbstoffmolekülen im Innern der Platte absorbiert und als Fluomszenzlicht wieder abgegeben. Zwei der Seitenflächen der Dreiecksplatte sind verspiegelt, so daß das gesammelte und an den Reflektionsflächen umgelenkte Licht mit dem von den Farbstoffmolekülen abgegebenen Fluoreszenzlicht an der gegenüberliegenden Kantenfläche austritt und beispielsweise auf eine angekoppelte Solarzelle fällt.
Mit dieser Anordnung wird der Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung durch die Konzentration des mit der großflächigen Platte aufgefangenen Lichtes auf die Solarzelle erhöht.
Ferner ist es bekannt, die Lichtausbeute insbesondere bei direkter Sonneneinstrahlung durch Spiegel oder Linsen zu vergrößern. Die geschliffenen Glaslinsen oder Parabolspiegel solcher Anordnungen sind Jedoch teuer und verhältnismäßig schwer. Außerdem wird der Aufwand solcher Anordnungen zusätzlich noch dadurch vergrößert, daß die Spiegel oder Linsen dem Sonnenstand nachgefü'nrt werden müssen. Ferner sind für solche Anordnungen Freanel-Linsen aus Acrylglas oder dergleichen bekannt, die auch bei größerer Linsenfläche leichter und preiswerter sind. Aufgrund der größeren Auffangfläche dieser Linsen kann dabei auch eher auf eine Nachführung verzichtet werden.
Im Hauptpatent ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades eine Anordnung vorgeschlagen, deren im wesentlichen-plattenförmiger Kollektor ein Slektret aus Acrylglas oder einem anderen, vorzugsweise transparenten oder ggf. transluzenten Die]ttrikum ist.
Das gesamte Volumen des Elektretes ist polarisiert und weist somit ein permanentes elektrisches Dipolelement bzw. eine permanente Polarisationsspannung mit entgegengesetzten Vorzeichen auf der Lichtauffangfläche und der gegenüberliegenden Austrittsfläche auf. Diese Polarisation erzeugt man bei der Herstellung des Slektreten vorzugsweise dadurch, daß man den erwärmten oder geschmolzenen Werkstoff in einem starken elektrischen Hochspannungsfeld erstarren läßt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind in den Elektreten vorzugsweise fluoreszierende Farbmoleküle eingelagert, die nach der Polarisierung entsprechend ausgerichtete, in ihrer Gleichrichtung verharrende elektrische Dipole bilden, die dazu beitragen, daß eingestrahlte Lichtenergie praktisch verlustlos, d. h. ohne Abstrahlung durch Reflexion absorbiert und an der Austrittsseite wieder abgestrahlt werden kann, an der eine lichtelektrische Schicht, beispielsweise eine handelsübliche Silizium-Bor-#olarzelle angebracht werden kann.
Die eingeprägte Polarisationsspannung des Elektretes führt zu einer beträchtlichen Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber den bisher bekannten Anordnungen und zwar auch bei diffusem Licht, wobei durch die Wahl der eingelagerten Farb-stoffmoleküle ähnlich wie bei den oben erläuterten Kollektorplatten bevorzugte Längenwellenbereiche des Lichtes eingestellt werden können.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, durch weitere Verbesserung der Anordnung des Ifauptpatentes die Konzentration des auf größeren Auffangflächen eines Kollektors auftreffenden und an einen angekoppelten Wandler abgegebenen Lichtes noch zu steigern und damit die Lichtausbeute bzw. den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird im wesentlichen durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst, bei der der Elektretkollektor mit entsprechenden Ringzonen als Fresnel-Linse ausgebildet ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Energieausbeute wird gegenüber dem Hauptpatent durch die Erfindung im wesentlichen dadurch verstärkt, daß praktisch die gesamte, vom Elektretkollektor aufgenommene Strahlungsenergie durch die Ausbildung als Fresnel-Linse zur mitte der Anordnung transportiert wird und so mit #eiter erhöhter Konzentration an einen in der Brennzone der Linse angeordneten Wandler zur Strom- oder Heizwärmeerzeugung abgegeben wird.
Sine besonders preisgünstige Ausgestaltung der Erfindung besteht aus einer Elektret-Folie, in deren Lichtaufnahmefläche mehrere in einer regelmäßigen Peldverteilung angeordnete Fresnel-Linsen eingeprägt sind Die Polarisation der Folie kann dabei gleichzeitig mit einem Warmpresavorgang zum Prägen der Hingzonen der Linsen vorgenommen werden, wobei die zum Prägen erwärmte und angeschmolzene Folie einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wird. Solche Elektret-Linsenfolien sind zusammenrollbar und bei vielseitiger Verwendbarkeit leicht zu handhaben. Beispielsweise können einige Quadratmeter dieser Folie in einen Rahmen eingespannt werden, der in einer Halterung oberhalb einer mit zolarzellen belegten Platte angeordnet ist, wobei die Anordnung eines Solarzellenfeldes der Linsenanordnung auf der Folie angepaßt ist und der Abstand zwischen den Linsen und den Jeweils zugehörigen bolarzellen so gewählt ist, daß das durcii die binsen konzentrierte Licht auf die gesamte Lichtaufnahmefläche der einzelne Solarzellen fällt.
Zur Wärmeerzeugung kann eine solche Folie beispielsweise auch @@@ einer Abschirmplat Le eines Plattensam@lers angeordnet werden, so daß einer darunter angeordneten, z. B. mit Ruß geschwärzten Absorberfläche mehr Strahlungsenergie zugeführt wird.
Im übrigen zeichnet; sich die Erfindung dradurch aus, daß durch die Linsenwirkung, die Polarisation des Elektratmat;erials und die bei einer bevorzugten Ausführung eingeschlossenen, lichtabsorbierenden, ebenfalls polarisierten Farbmoleküle auch bei diffusem Sonnenlicht und ohne Nachführung der Anordnung nach dem Sonnenstand mehr Strahlungsenergie an die jeweils zugeordnete Wandleranordnung weitergeleitet wird. Die mit der Erfindung erzielte Verbesserung des Wirkungsgrades ist insbesondere für dcii Einsatz von Sonnenlicht-Wandlern in weniger sonnenreichen Gebieten von Bedeutung.
Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener schematisch vereinfacht dargestellter Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es zeigen: Fig. 1 eine schaubildliche schematische Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie, Fig. 2 eine vereinfachte D#rstellung einer praktIschen Ausführungsmöglichkeit einer Anordnung gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektretlinsen-Folie und Fig. 4 eine vereinfachte Prinzipdarstellung eines mit einer Folie gemäß Fig. 3 ausgerüsteten Plattensammlers zum Umwandeln von Sonnenenergie in Wärmeenergie.
Fig. 1 zeigt eine von schräg unten gesehene Anordnung mit einer Fresnel-Linse 10, deren zentrale Linsenöffnung und Ringzone durch einfache Linien angedeutet sind und die vorzugsweise ein Elektret aus Acrylglas mit eingelagerten fluoreszierenden Farbstoffmolekülen ist. Der Lichteinfall ist durch einige Strahlen L angedeutet. Unterhalb der Linse ist eine in einer dazu parallelen Ebene ausgerichtete Solarzelle 12 angeordnet, an die hier beispielsweise ein Meßgerät 14 ange#;chlossen ist.
Der Abstand A zwischen der Iiichtaustrittsseite der Linse und der Auffangfläche der Solarzelle 12 ist so gewählt, daß die durch die erfindungsgemäße Linse abgelenkten Strahlen, die mit S angedeutet sind, möglichst gleichmäßig auf die gesamte Auffangfläche der Solarzelle 12 treffen.
Eine nach diesem Prinzip arbeitende Anordnung kann gemäß Fig. 2 aufgebaut sein, die im Querschnitt ein Gestell oder Gehäuse 16 zeigt, an dessen Oberseite die erfindungsgemäße Elektret-Linse 10 angeordnet ist.
Am Boden der Halterung ist beispielsweise in einer Führungsumrandung 18 die Solarzelle 12 angeordnet, wobei für die vorstehend angegebene Bemessung des Abstandes A auch die Größe der Licht auf nahmefläche der Solarzelle berücksichtigt ist. Des Gehäuse kann beispielsweise ringförmig geschlossen sein, wobei die innere Mantelfläche 20 einschließlich der oberen Abstufung 22 für die Auflage der Linse verspiegelt sein können, um die Lichtausbeute durch Reflexion noch zu erhöhen. Ggf. kann die Reflexionsfläche unterhalb der Linse auch trichterförmig ausgebildet sein. Die Anschlüsse der Solarzelle sind durch eine Gehäusebohrung herausgeführt, um ein elektrisches Gerät anschließen zu können. In dem Gehäuse können auch für die Kühlung der Solarzelle erforderliche Mittel angeordnet sein, die aus Gründen der ubersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
Fig. 3 zeigt eine aufrollbare Folie 24 mit eingeprägten Fresnel-Linsen, deren Verteilung auch von der dargestellten Anordnung abweichen kann.
Fig. 4 zeigt schematisch vereinfacht einen Plattensammler mit einem Gehäuse 30, einer Glasplatte 32 als obere Abschirmung und einer geschwärzten, beispielsweise gerußten Absorberfläche 34, an deren beispielsweise gezahnter Unterseite das zu erwärmende Medium, beispielsweise Luft oder Wasser vorbeiströmt, das durch einen Einlaßstutzen 36 eintritt und einen Auslaßstutzen 38 austritt.
Eine gemäß Fig. 3 mit eingeprägten Fresnel-Linsen 26 versehene Folie 24 ist auf die obere Glasabschirmung 32 aufgelegt und durch einen Haltering 40 festgehalten, dessen Innenfläche 42 zur Erhöhung der Lichtausbeute verspiegelt sein kann. Auch die innere Mantelfläche 44 zwischen Abschirmung 32 und 34 des aus gut wärmedämmendem Material bestehendenPlattensammels kann ggf.
verspiegelt sein. Durch die Verstärkungswirkung der in die transparente Elektret-Folie eingeprägten Fresnel-Linsen wird der Wirkungsgrad des Plattensammlers deutlich erhöht, an welchen beispielsweise ein Warmwasserspeicher angeschlossen werden kann.
In ähnlicher Weise kann mit der Elektretlinsenfolie auch eine Wandleranordnung mit mehreren Solarzellen aufgebaut werden, die jeweils in einem in Verbindung mit Fig. 1 und 2 erläuterten Abstand A in der Brennzone einer zugehörigen Fresnel-Linse 26 angeordnet sind. Durch Hintereinanderschaltung der so betriebenen Solarzellen können auch elektrische Geräte mit höherem Leistungsbedarf betrieben werden.
Anspruche

Claims

Ansprüche 1. Anordnung zum Umwandeln von Sonnenergie in elektrische Energie und/oder Wärmeenergie mit einem aus Acrylglas oder dergleichen mit ggf. eingelagerten, lichtabsorbierenden Barbstoffmolekülen bestehenden Blektret als Sonnenkollektor zur gerichteten Abgabe des auf die Auffangfläche des Kollektors auftreffenden Lichtes an einen austrittsseitig angeordneten Energiewandler, insbesondere nach Patent (Anmeldung Nr. P 28 52 216.9), dadurch gekennzeichnet, daß in der Auffangfläche des Elektrets eine Fresnel-Linse (10) ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret eine vorzugsweise transparente Kunststoff-Folie (24) mit eingeprägten Ringzonen wenigstens einer J?resnel-Linse (26) ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine in der Brennzone der Fresnel-Linse angeordnete Solarzelle (12) zur Umwandlung der Strahlungsenergie in Sonnenenergie.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Linse in der Auffangfläche einer Abschirmplatte eines Plattensammlers zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme energie ausgebildet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine auf die Abschirmplatte (32) eines Plattensammlers zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie aufgelegte, mit Fresnel-Linsen (26) ausgebildete Elektret-Polie C24).
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine etwas über die Fresnel-Linse vorstehende, umlaufende Innenmantelfläche (22, 42) einer Ifalterungsvorrichtung (16, 30, 40) als verspiegelte Reflexionsfläche ausgebildet ist.
7. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Mantelfläche eines manschettenartigen llalterungsabschnittes (20, 44) zwischen der Austrittsseite des Linsen-Elektretes (10, 24, 26) und der Lichtaufnahmefläche der Wandleranordnung als verspiegelte Reflexionsfläche ausgebildet ist.