EP1121564A1 - Lichtelement mit einer lichtdurchlässigen fläche - Google Patents

Lichtelement mit einer lichtdurchlässigen fläche

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Publication number
EP1121564A1
EP1121564A1 EP99955833A EP99955833A EP1121564A1 EP 1121564 A1 EP1121564 A1 EP 1121564A1 EP 99955833 A EP99955833 A EP 99955833A EP 99955833 A EP99955833 A EP 99955833A EP 1121564 A1 EP1121564 A1 EP 1121564A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
light element
translucent
element according
energy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99955833A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen KLEINWÄCHTER
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PowerPulse Holding AG
Original Assignee
PowerPulse Holding AG
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Filing date
Publication date
Application filed by PowerPulse Holding AG filed Critical PowerPulse Holding AG
Publication of EP1121564A1 publication Critical patent/EP1121564A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A01G9/14—Greenhouses
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    • Y02P60/12—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries using renewable energies, e.g. solar water pumping

Definitions

  • the invention relates to a light element with a translucent surface.
  • the incident light consists of the direct sunlight from the outside and the almost homogeneous hemispherical, i.e. from all directions of the half-space, diffuse light, which can take up to approx. 10% of the direct value depending on the atmospheric conditions.
  • the known systems can improve the lighting conditioning of rooms with windows, glass facades or roofs, but they have the weakness that the hidden direct sunlight - although energetically valuable - is emitted to the outside world by light reflection.
  • the invention is therefore based on the object of developing a generic light element in such a way that the radiation directly incident on the translucent surface can be used.
  • a light element with a translucent surface, which has an energy conductor and in which the translucent surface is designed such that it directs only the radiation directly onto the surface onto the energy conductor.
  • the majority of the incident radiation, which is formed by the direct radiation, is thus applied directed an energy conductor to utilize the energy, while the diffuse radiation passes this energy conductor and can be used for lighting.
  • an energy conductor z.
  • Global sunlight is thus treated selectively so that the diffuse component is transmitted and thus serves, for example, the basic illumination of a room, while the direct radiation component penetrates through the translucent surface according to the invention, but in a focal line or a focal point before reaching the interior or in the interior is concentrated.
  • the translucent surface has a Fresnel lens, a holographic lens or a refractive optical element. These optical means make it possible to concentrate direct radiation on an energy conductor and to allow diffuse radiation to pass through.
  • systems according to the invention can be arranged, which either converts the concentrated light into heat (thermal solar collector) or electrical current (photovoltaic collector) or, through secondary optics, ensure that focused light is deflected into the depths of the by a targeted deflection is shone behind the light element located room.
  • the energy conductor has a solar cell, the heat of which is actively or passively dissipated.
  • the energy conductor can be a fluid line. The heat absorbed there is then fed to a thermodynamic or thermal utilization system.
  • a third alternative provides that the energy conductor has an optical fiber.
  • the light guide allows the concentrated light to be transported further or the light of several light guides to be further concentrated.
  • a preferred exemplary embodiment provides that the entry end of the light guide follows the movement of the focal plane and the exit end is directed in a stationary manner onto the energy guide.
  • the protective surface can be an individually designed glass pane that is easy to clean, so that the light element arranged behind it with its special optical structure no longer requires regular cleaning.
  • the light element is preferably even arranged between two double-pane-like translucent surfaces which offer optimum protection for the light element.
  • the energy conductor can be arranged between the translucent surface and a further translucent surface.
  • the further translucent surface can be designed as a protective surface or also only direct the radiation directly onto the surface onto the energy conductor.
  • the translucent surfaces or the translucent surface delimit a living space.
  • This habitat is then characterized in that only diffuse radiation can be detected in it, since the radiation which strikes the surfaces is directed onto the energy conductor and is thus absorbed before it enters the habitat.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a system according to the invention with a photovoltaic module
  • Figure 2 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a system according to the invention with an optical fiber
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the use of a system according to the invention for a greenhouse
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a climate cushion
  • Figure 6 is a schematic representation of the use of a climate cushion for a greenhouse
  • Figure 7 schematically shows the energy flows on the climate cushion.
  • the light element 1 shown in FIG. 1 essentially consists of the translucent surface 2 and the energy conductor 3.
  • the energy conductor 3 is designed as a photovoltaic element which is arranged between the translucent surface 2 designed as a Fresnel lens and a window pane 4.
  • the radiation 6 emanating from the sun 5 falls on the translucent surface 2 as direct radiation 7 and diffuse radiation 8.
  • the radiation 7 incident directly on the translucent surface 2 is concentrated on the photovoltaic collector 3 by the Fresnel lens and the diffuse radiation 8 passes through the Fresnel lens and the window pane 4 arranged behind it.
  • the Fresnel lens 2 can image in a point-like or linear manner in order to concentrate the radiation on a point-like or linear energy conductor.
  • the Fresnel lens 2 can be tracked with one or two axes of the sun 5 in order to combine a high proportion of direct radiation in a focal line or in one focal point.
  • the energy conductor 3 which converts the radiation energy into electrical energy.
  • the diffuse radiation component 8 of the sun 5 penetrates through the lens without hitting the energy converter and thus reaches a space 9 to be illuminated which is located behind the window pane 4.
  • the arrangement according to the invention thus fulfills the condition that, on the one hand, sufficient glare-free light is allowed to pass into rooms 9 behind it and, on the other hand, that the non-transmitted direct radiation component 7 is used in an energetically meaningful manner.
  • the strip-shaped or circular photovoltaic module 3 has to be cooled since it is operated under concentrated light.
  • An active cooling circuit (with water, for example) is particularly useful, so that the entire system supplies light, electrical current and low-temperature heat (typically: water around 40 - 50 ° C).
  • Silicon solar cells are particularly suitable for the linearly concentrating optics, while gallium arsenide solar cells can be used for the point-concentrating optics.
  • FIG. 1 shows a system which is similar in construction, in which a fluid line 13 is provided instead of a photovoltaic module.
  • This fluid line 13 allows the additional production of thermal energy. It is an externally blackened, hollow absorber tube (in the case of using a linearly focusing optics) or an externally blackened absorber ball (in the case of using a point-focusing optics).
  • the fluid 14 to be heated which can be a gas or a liquid, circulates inside the tube or ball.
  • the axis of rotation of the corresponding one-dimensional focusing optics lies in the central axis of the absorber tube 13 and the focal point of a two-dimensionally focusing optics analogously to this is the center of an absorber ball.
  • the absorber 13 can be surrounded by a transparent cladding tube or a cladding ball 15.
  • the space between the casing 15 and the absorber can be evacuated and the blackening of the absorber surface can be carried out in such a way that as large a portion of the incident, concentrated light flux as possible is absorbed and the heat reflection of the absorber is as small as possible.
  • the thermal energy obtained in the absorber will be used, for example, for heating, hot water supply or cooling (sorption systems, Stirling chillers, etc.) of the building equipped with the system according to the invention.
  • thermodynamic machines e.g. steam turbines or Stirling engines
  • the usable temperature field is between approx. 50 ° C and 400 ° C, while the two-dimensional focusing optics can go far beyond 1,000 ° C.
  • FIG. 16 A system with a flexible light guide 16 is shown in FIG.
  • the light 7 concentrated in the focal line or in the focal point in the form of a concentrated parallelized light bundle is guided specifically into the depth of a building.
  • the light beams converging towards the focal line or the focal point must be parallelized using suitable systems consisting of mirrors and / or lenses to such an extent that the light can be transported out of the focal line or focal point area without excessive divergence over the desired distance to the desired location. Since the angle of incidence in the area of the focal line or the focal point is constantly changing due to the sun-tracked optics, such deflecting parallelizing additional optics must generally be tracked in such a way that the destination is constantly illuminated in accordance with the optical conditions of incidence and failure.
  • this is solved with the aid of a flexible, strip-shaped (in the case of linearly focusing optics) or circular (in the case of two-dimensional optics) light guide.
  • the parallel incident direct radiation 7 is deflected via the Fresnel lens 2 into a converging beam with the angle 17.
  • the flexible light guide 16 captures rays from a solid angle range greater than or equal to the angle 17 and transmits them on the inside by total reflection. Since the light guide 16 is flexible, its light entry end 18 is connected to the sun-tracking optics in such a way that the entry end is always perpendicular to the optical axis of the incident light beam on the one hand and the axis of rotation or the pivot point of the optical system runs through this entry end. In this way it is ensured that the concentrated, direct sunlight is coupled into the flexible light guide at every position of the sun.
  • the outlet end 19 is positioned by the holding device 20 so that it points continuously in the direction of the destination 21.
  • the light emerging divergingly from the light guide exit end 19 at an angle 22 is parallelized by a suitable optical arrangement as far as is necessary for the respective lighting case. In the present case, this is achieved by combining two concave mirrors 23, 24 located opposite one another. In principle, however, pure lens systems located in the exit light beam are also possible.
  • the systems described show that the use of optical systems which allow diffuse daylight to be transmitted, but which bundle direct daylight into spatially clearly defined focal zones, can be used both for pleasant, glare-free interior lighting of buildings and, at the same time, heat for these buildings, Can generate cold and electrical power and can illuminate distant zones.
  • Fresnel lenses are used in the exemplary embodiments described. In principle, however, the principle according to the invention can also be used holographic lenses or refractive optical elements.
  • the lens system can be placed in front of or behind an existing building window, a glass facade or a glass roof.
  • a pane i.e. inside the building, the unwanted heat load emanating from the radiation receivers and radiation converters in the focal lines or focal points can be reduced to a minimum by appropriate heat insulation and routing of the fluid flow to the outside.
  • lens systems that are installed behind appropriate windows, facades or light roofs are more advantageous because they fulfill their optical function here, but are not burdened by wind or rain. This leads in particular to a significant simplification of the required sun tracking system, since materials, gears and mechanisms which are arranged behind windows can be made much cheaper, lighter and more energy-efficient and durable.
  • FIG. 1 An embodiment of an installation of a light element 30 according to the invention behind a translucent protective surface 31 is shown in FIG.
  • the greenhouse 32 shown has an outer glass house wall, which forms the translucent protective surface 31. Beneath them are the lenses 33, which are indicated as a dash-dotted line. These lenses 33 concentrate the direct solar radiation 24 on the pipelines 35.
  • a fluid flows in the pipelines 35 and is collected in the heat accumulator 36.
  • fluid heated from the heat accumulator 36 can be removed by means of the pump 37 in order to heat the greenhouse 32 via the line system 38.
  • the plants 39 standing in the greenhouse 32 essentially receive only the diffuse light that penetrates through the lenses and, if necessary, also some direct light that penetrates through the roof surfaces not covered by lenses.
  • a highly transmissive, preferably textile, light fabric can be arranged in these areas, which converts direct light into diffuse light with high efficiency by forward scattering.
  • a light, modular element 40 is shown in FIG. According to the invention, the optical lens systems 41 and the
  • the cushion 42 consists of highly transparent, mechanically robust and weather-resistant
  • Fluoropolymer films It is formed from two transparent foils 42 and 44 which are shaped like pillows by internal air overpressure and are held along their circumference by a mechanically stable profile 45.
  • FIG. 6 shows how the shell of a greenhouse 51 can be formed from a plurality of pneumatic cushion elements 50.
  • the plants 52 inside the greenhouse 51 thereby receive enough light at pleasant temperatures.
  • the lens system 53 generates a hot fluid, which is fed via a line 54 to a thermodynamic machine 55.
  • stream 56 is produced and the cooled fluid is fed back to the lens system 53 via the line 57.
  • the optional interposition of a heat store 58 enables the energy generation system 55 to bridge bad weather periods and in principle also work during the day and at night.
  • Such greenhouses are particularly useful in semi-arid and arid climates.
  • the conditioned indoor climate allows optimal plant growth.
  • the energy generated in the shell can be used to supply the energy required in such modular "oases" that can be expanded.
  • FIG. 7 shows schematically the energy flows in and out of the energy and climate envelope.
  • the incident solar globular radiation 60 consists of the spectral ranges A, B, C.
  • A is the short-wave, invisible UV Spectrum
  • B the visible spectrum
  • C the long-wave, invisible infrared spectrum.
  • This global radiation is converted inside the climate and energy envelope 61 by the lens systems and energy conductors into heat, cold, electrical current and directional, concentrated light 62.
  • the types of energy shown can be generated either exclusively or in any combination with the others.
  • the diffuse component 63 from the incident global radiation is not bundled by the lens system and therefore reaches the room 64 behind or below the energy climate envelope as diffuse, glare-free light.
  • the system according to the invention represents a versatile solar component. It can be used as a window, facade or roof element in conventional buildings up to the construction of complete, multifaceted building envelopes.
  • the interior of such buildings is air-conditioned in terms of heat and light, and the envelope itself generates the additional energy required.

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Abstract

Ein Lichtelement (1) mit einer lichtdurchlässigen Fläche (2) weist einen Energiewandler (3) auf und die lichtdurchlässige Fläche (2) ist so ausgebildet, dass sie nur die direkt auf die Fläche (2) treffende Strahlung auf den Energiewandler (3) richtet. Als Energiewandler (3) wird vorzugsweise eine Solarzelle (3), eine Fluidleitung (13) oder ein Lichtleiter (16) eingesetzt. Das Lichtelement eignet sich vor allem zur Beleuchtung von Räumen mit diffusem Licht.

Description

Lichtelement mit einer lichtdurchlässigen Fläche
Die Erfindung betrifft ein Lichtelement mit einer lichtdurchlässigen Fläche.
Der Lichtfluß des Sonnenlichtes durch Fenster, Glasfassaden und Dächer führt zu einer Beleuchtung im Inneren des Raumes. Sehr oft treten jedoch aufgrund eines zu hohen Pegels Blendeffekte, inhomogene Lichtverteilungen und zu starke Temperaturerhöhungen im Innenraum auf. Jalousien führen häufig zu der prardoxen Situation, daß der Lichtfluß so stark ausgeblendet wird, daß im Inneren des Gebäudes eine künstliche Beleuchtung eingeschaltet werden muß. Das eingestrahlte Licht besteht aus dem direkten Sonnenlicht des Außenraumes und dem nahezu homogenen hemisphärisch, also aus allen Richtungen des Halbraumes, einstrahlenden diffusen Licht, das je nach Atmosphärenbedingung bis zu ca. 10 % des Direktwertes annehmen kann.
Wegen der notwendigen Verschattung entsteht in vielen Bürohochhäusern der Hauptteil des elektrischen Stromverbrauches tagsüber, aufgrund einer Vielzahl an Lampen und Beleuchtungskörpern in der Tiefe der Räume. Künstliche Lichtquellen können als "Heizkörper mit schwachem Leuchteffekt" charakterisiert werden und dadurch wird zusätzliche elektrische Energie benötigt, um die Wärme aus den Räumen mittels "air conditioning " herauszutransportieren . Es wurden verscheidene Jalousiesysteme entwickelt, die transparent oder reflektierend in ihrer relativen Stellung zur Sonne so gesteuert werden können, daß sie das störende direkte Außenlicht zurückreflektieren und nur das diffuse Licht hindurchlassen. Insbesondere sei hier auf im Markt befindliche Systeme drehbarer Prismen hingewiesen. Hierbei reflektieren transparente Prismensysteme das direkte Sonnenlicht zurück und, wenn sie senkrecht zur Sonne positioniert werden, lassen sie das diffuse Licht passieren. Hierdurch wird eine selektive transparente Jalousie möglich.
Die bekannten Systeme können zwar die beleuchtungstechnische Konditionierung von Räumen mit Fenstern, Glasfassaden oder -dächern verbessern, sie haben jedoch grundsätzlich die Schwäche, daß das ausgeblendete direkte Sonnenlicht - obwohl energetisch wertvoll - durch Lichtreflektion an die Außenwelt abgegeben wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Lichtelement derart weiterzubilden, daß die direkt auf die lichtdurchlässige Fläche treffende Strahlung genutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Lichtelement mit einer lichtdurchlässigen Fläche gelöst, das einen Energieleiter aufweist und bei dem die lichtdurchlässige Fläche so ausgebildet ist, daß sie nur die direkt auf die Fläche treffende Strahlung auf den Energieleiter richtet.
Bei dem erfindungsgemäßen Lichtelement wird somit der Großteil der einfallenden Strahlung, der von der direkten Strahlung gebildet wird, auf einen Energieleiter gerichtet, um die Energie zu verwerten, während die diffuse Strahlung an diesem Energieleiter vorbeistrahlt und zur Beleuchtung benutzt werden kann. Als Energieleiter kann z. B. ein Energiewandler oder ein Lichtleiter eingesetzt werden.
Das globale Sonnenlicht wird somit selektiv so behandelt, daß der diffuse Anteil transmitiert wird und somit beispielsweise der Grundausleuchtung eines Raumes dient, während der direkte Strahlenanteil zwar durch die erfindungsgemäße lichtdurchlässige Fläche hindurchdringt, jedoch in einer Brennlinie oder einem Brennpunkt vor Erreichen des Innenraumes oder im Innenraum konzentriert wird.
Vorteilhaft ist es, wenn die lichtdurchlässige Fläche eine Fresnellinse, eine holographische Linse oder ein refraktives optisches Element aufweist. Diese optischen Mittel ermöglichen es, direkte Strahlung auf einen Energieleiter zu konzentrieren und diffuse Strahlung passieren zu lassen.
In der Brennlinie oder dem Brennpunkt können erfindungsgemäße Systeme angeordnet sein, die das konzentrierte Licht entweder in Wärme (thermischer Sonnenkollektor) oder elektrischen Strom (photovoltaischer Kollektor) umwandelt oder aber durch eine Sekundäroptik dafür sorgen, daß gebündeltes Licht durch eine gezielte Umlenkung in die Tiefen des hinter dem Lichtelement gelegenen Raumes gestrahlt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der Energieleiter eine Solarzelle aufweist, deren Wärme aktiv oder passiv abgeführt wird. Alternativ dazu kann der Energieleiter eine Fluidleitung sein. Die daran absorbierte Wärme wird anschließend einem thermodynamischen oder thermischen Nutzungssystem zugeführt.
Eine dritte Alternative sieht vor, daß der Energieleiter einen Lichtleiter aufweist. Der Lichtleiter erlaubt es, das konzentrierte Licht weiterzutransportieren oder das Licht mehrerer Lichtleiter weiter zu konzentrieren.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß das Eintrittsende des Lichtleiters der Bewegung der Fokalebene folgt und das Austrittsende ortsfest auf den Energieleiter gerichtet ist.
Um das Lichtelement vor Wind, Wetter und Verschmutzungen zu schützen, wird vorgeschlagen, daß es hinter einer lichtdurchlässigen Schutzfläche angeordnet ist. Die Schutzfläche kann eine individuell ausgebildete Glasscheibe sein, die einfach zu reinigen ist, so daß das dahinter angeordnete Lichtelement mit seinem speziellen optischen Aufbau einer regelmäßigen Reinigung nicht mehr bedarf. Vorzugsweise ist das Lichtelement sogar zwischen zwei doppelscheibenähnlichen lichtdurchlässigen Flächen angeordnet, die einen optimalen Schutz für das Lichtelement bieten.
Allgemein kann der Energieleiter zwischen der lichtdurchlässigen Fläche und einer weiteren lichtdurchlässigen Fläche angeordnet sein. Die weitere lichtdurchlässige Fläche kann hierbei als Schutzfläche ausgebildet sein oder ebenfalls nur die direkt auf die Fläche treffende Strahlung auf den Energieleiter richten.
Vorteilhaft ist es, wenn die lichtdurchlässigen Flächen oder die lichtdurchlässige Fläche einen Lebensraum begrenzen. Dieser Lebensraum zeichnet sich dann dadurch aus, daß in ihm nur diffuse Strahlung festgestellt werden kann, da die direkt auf die Flächen treffende Strahlung auf den Energieleiter gerichtet wird und dadurch vor Einfall in den Lebensraum absorbiert wird.
Verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Lichtelementen mit lichtdurchlässigen Flächen sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
Es zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit photovoltaischem Modul,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Systems mit Fluidleitung,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit einem Lichtleiter, Figur 4 eine schematische Darstellung der Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems für ein Treibhaus,
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Klimakissens,
Figur 6 die schematische Darstellung der Verwendung eines Klimakissens für ein Treibhaus und
Figur 7 schematisch die Energieflüsse am Klimakissen.
Das in Figur 1 gezeigte Lichtelement 1 besteht im wesentlichen aus der lichtdurchlässigen Fläche 2 und dem Energieleiter 3. Der Energieleiter 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Photovoltaikelement ausgebildet, das zwischen der als Fresnellinse ausgebildeten lichtdurchlässigen Fläche 2 und einer Fensterscheibe 4 angeordnet ist.
Die von der Sonne 5 ausgehende Strahlung 6 fällt als direkte Strahlung 7 und diffuse Strahlung 8 auf die lichtdurchlässige Fläche 2. Die direkt auf die lichtdurchlässige Fläche 2 auftreffende Strahlung 7 wird durch die Fresnellinse auf den photovoltaischen Kollektor 3 konzentriert und die diffuse Strahlung 8 geht durch die Fresnellinse und die dahinter angeordnete Fensterscheibe 4 hindurch.
Die Fresnellinse 2 kann punktförmig oder linear abbilden, um die Strahlung auf einen punktförmigen oder linearen Energieleiter zu konzentrieren. Außerdem ist die Fresnellinse 2 ein- oder zweiachsig der Sonne 5 nachführbar, um einen hohen Anteil direkter Strahlung in einer Brennlinie oder in einem Brennpunkt zu vereinigen. Hier steht der Energieleiter 3, der die Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Der diffuse Strahlungsanteil 8 der Sonne 5 dringt durch die Linse, ohne den Energiewandler zu treffen, und gelangt somit in einen hinter der Fensterscheibe 4 gelegenen, zu beleuchtenden Raum 9.
Die erfindungsgemäße Anordnung erfüllt somit die Bedingung, einerseits genügend blendfreies Licht in dahinterliegende Räume 9 durchzulassen und andererseits den nicht transmittierten direkten Strahlungsanteil 7 energetisch sinnvoll zu nutzen.
Das streifenförmige oder kreisförmige photovoltaische Modul 3 muß gekühlt werden, da es unter konzentriertem Licht betrieben wird. Sinnvoll ist dabei insbesondere ein aktiver Kühlkreislauf (beispielsweise mit Wasser), so daß das Gesamtsystem neben Licht, elektrischen Strom und Niedertemperaturwärme (typisch: Wasser um 40 - 50° C) liefert. Für die linear konzentrierenden Optiken kommen vorallem Siliziumsolarzellen in Betracht, während für die punktförmig konzentrierenden Optiken Galliumarsenid-Solarzellen verwendbar sind.
In der Figur 1 sind anstelle einer Wasserkülung Kühlrippen 10, 1 1 dargestellt und das photovoltaische Modul 2 ist um die Achse 12 drehbar, um es der Sonne 5 nachzuführen. Die Figur 2 zeigt ein im Aufbau ähnliches System, bei dem anstelle eines Photovoltaikmoduls eine Fluidleitung 13 vorgesehen ist. Diese Fluidleitung 13 erlaubt die zusätzliche Gewinnung von thermischer Energie. Sie ist ein außen geschwärztes, hohles Absorberrohr (im Falle der Verwendung einer linear fokusierenden Optik) oder eine außen geschwärzte Absorberkugel (im Falle der Verwendung einer punktförmig fokusierenden Optik). Im Inneren des Rohres oder der Kugel zirkuliert das zu erwärmende Fluid 14, das ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann. Die Drehachse der entsprechenden eindimensional fokussierenden Optik liegt in der Mittelachse des Absorberrohres 13 und der Brennpunkt einer zweidimensional fokussierenden Optik analog hierzu im Mittelpunkt einer Absorberkugel.
Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades des Absorbers 13 kann dieser von einem transparenten Hüllrohr oder einer Hüllkugel 15 umgeben sein. Der Raum zwischen der Hülle 15 und dem Absorber kann hierbei evakuiert sein und die Schwärzung der Absorberfläche kann so ausgeführt sein, daß ein möglichst großer Anteil des eingestrahlten, konzentrierten Lichtflusses absorbiert wird und die Wärmerückstrahlung des Absorbers möglichst klein ist.
Die im Absorber gewonnene thermische Energie wird beispielsweise zur Heizung, Brauchwasserversorgung oder der Kühlung (Sorptionssysteme, Stirlingkältemaschinen etc.) des mit dem erfindungsgemäßen Systems ausgerüsteten Gebäudes dienen. Grundsätzlich können damit aber auch thermodynamische Maschinen (z. B. Dampfturbinen oder Stirlingsmotoren) betrieben werden. Im Falle von linearen Optiken liegt hierbei das sinnvoll nutzbare Temperaturfeld zwischen ca. 50° C und 400° C, während es bei den zweidimensional fokusierenden Optiken bis weit über 1 .000° C hinausgehen kann.
In Figur 3 ist ein System mit einem flexiblen Lichtleiter 16 dargestellt. Mit diesem Lichtleiter 16 wird das in der Brennlinie oder im Brennpunkt konzentrierte Licht 7 in Form eines konzentrierten parallelisierten Lichtbündels gezielt in die Tiefe eines Gebäudes geführt. Dabei müssen die zur Brennlinie oder zum Brennpunkt hin konvergierenden Lichtstrahlen über geeignete Systeme aus Spiegeln und/oder Linsen soweit parallelisiert werden, daß das Licht aus dem Brennlinien- oder Brennpunktsbereich heraus ohne zu große Divergenz über die gewünschte Strecke zum gewünschten Ort hin transportiert werden kann. Da sich aufgrund der sonnennachgeführten Optik die Einfallswinkel im Bereich der Brennlinie bzw. des Brennpunktes ständig ändern, muß im allgemeinen eine solche umlenkende parallelisierende Zusatzoptik in der Weise nachgeführt werden, daß gemäß der optischen Einfalls- und Ausfallsbedingungen der Zielort ständig beleuchtet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dies mit Hilfe eines flexiblen, streifenförmigen (im Falle der linear fokusierenden Optik) oder kreisrunden (im Falle der zweidimensionalen Optik) Lichtleiters gelöst. Die parallel einfallende direkte Strahlung 7 wird über die Fresnellinse 2 zu einem konvergierenden Strahlenbündel mit dem Winkel 17 abgelenkt. Der flexible Lichtleiter 16 fängt Strahlen aus einem Raumwinkelbereich größer oder gleich dem Winkel 17 ein und leitet sie in seinem inneren durch Totalreflektion weiter. Da der Lichtleiter 16 flexibel ist, ist sein Lichteintrittsende 18 so mit der sonnennachgeführten Optik verbunden, daß das Eintrittsende einerseits ständig senkrecht zur optischen Achse des einfallenden Lichtbündels steht und andererseits durch dieses Eintrittsende die Drehachse bzw. der Drehpunkt des optischen Systems verläuft. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß bei jeder Sonnenstellung das konzentrierte, direkte Sonnenlicht in den flexiblen Lichtleiter eingekoppelt wird.
Das Austrittsende 19 wird durch die Haltevorrichtung 20 so positioniert, daß es ständig in Richtung des Zielortes 21 zeigt. Das aus dem Lichtleiteraustrittsende 19 unter dem Winkel 22 divergent austretende Licht wird hierbei durch eine geeignete optische Anordnung soweit parallelisiert, wie es für den jeweiligen Beleuchtungsfall nötig ist. Dies wird im vorliegenden Fall durch die Kombination zweier sich gegenüberliegender konkaver Spiegel 23, 24 erreicht. Grundsätzlich sind jedoch auch reine, im Austrittslichtbündel liegende Systeme von Linsen möglich.
Die beschriebenen Systeme zeigen, daß der Einsatz von optischen Systemen, die das diffuse Tageslicht transmittieren lassen, das direkte Tageslicht jedoch in räumlich klar definierten Fokalzonen bündeln, sowohl für eine angenehme, blendfreie Innenbeleuchtung von Gebäuden genutzt werden können als auch gleichzeitig für diese Gebäude Wärme, Kälte und elektrische Strom erzeugen können und die Ausleuchtung entfernter Zonen bewirken können. Aus Gewichts- und Kostengründen werden in den beschriebenen Ausführungsbeispielen Fresnellinsen verwendet. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Prinzip jedoch auch mit holographischen Linsen oder refraktiven optischen Elementen realisiert werden.
Das Linsensystem kann vor oder hinter einem existierenden Gebäudefenster, einer Glasfassade oder einem Glasdach untergebracht werden. Bei Systemen hinter einer Scheibe, also im Inneren des Gebäudes, kann die unerwünschte Wärmebe lastung, die von den Strahlungsempfängern und Strahlungswandlern in den Brennlinien oder Brennpunkten ausgeht, durch entsprechende Wärmeisolation und Wegführung des Fluidstromes in den Außenraum auf ein Minimum reduziert werden.
Grundsätzlich sind Linsensysteme, die hinter entsprechenden Fenstern, Fassaden oder Lichtdächern installiert sind , vorteilhafter, da sie hier ihre optische Funktion erfüllen, jedoch nicht durch Wind oder Regen belastet werden. Dies führt insbesondere zu einer wesentlichen Vereinfachung des benötigten Sonnennachführsystems, da Materialien, Getriebe und Mechaniken die hinter Fenstern geschützt angeordnet sind, wesentlich preiswerter, leichter und energiesparender sowie langlebiger ausgeführt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel einer Instal lation eines erfindungsgemäßen Lichtelementes 30 hinter einer lichtdurchlässigen Schutzfläche 31 ist in Figur 4 dargestellt. Das abgebildete Treibhaus 32 hat eine äußere Glashauswand, die die lichtdurchlässige Schutzfläche 31 bildet. Darunter liegenden die Linsen 33, die als strichpunktierte Linie angedeutet sind. Diese Linsen 33 konzentrieren die direkte Sonnenstrahlung 24 auf die Rohrleitungen 35. In den Rohrleitungen 35 fließt ein Fluid, das im Wärmespeicher 36 gesammelt wird. Beispielsweise in der Nacht kann aus dem Wärmespeicher 36 mittels der Pumpe 37 erhitztes Fluid entnommen werden, um das Treibhaus 32 über das Leitungssystem 38 zu beheizen. Die im Treibhaus 32 stehenden Pflanzen 39 erhalten im wesentlichen nur das diffuse Licht, das durch die Linsen dringt und - wenn notwendig - auch etwas direktes Licht, das durch die nicht von Linsen bedeckten Dachflächen dringt. Um auch dieses Licht, das zwischen den Linsen einfällt, in diffuses Licht umzuwandeln, kann in diesen Bereichen ein hochtransmittives, vorzugsweise textiles Lichtgewebe angeordnet werden, das durch Vorwärtsstreuung mit hohem Wirkungsgrad direktes Licht in diffuses Licht umwandelt.
In Figur 5 ist ein leichtes modulares Element 40 dargestellt. Bei diesen Kissen werden erfindungsgemäß die optischen Linsensysteme 41 und die
Lichtsammei- und -Wandlungssysteme im Inneren eines pneumatisch geformten, transparenten Kissensystems 42 angeordnet. Das Kissen 42 besteht aus hochtransparenten, mechanisch robusten und witterungsstabilen
Fluorpolymerfolien. Es wird aus zwei transparenten, durch inneren Luftüberdruck kissenförmig geformten Folien 42 und 44 gebildet, die längs ihres Umfangs durch ein mechanisch stabiles Profil 45 gehalten werden.
Durch dieses Profil verlaufen auch die Drehachsen und Fluidleitungen des
Linsensystems 41 . Mit Hilfe der Profile 45 können die Kissen 42 derart der
Sonne 46 nachgeführt werden, daß die direkte Strahlung 47 möglichst senkrecht auf die obere Kissenhülle 43 auftriffl. In Figur 6 ist gezeigt, wie aus mehreren pneumatischen Kissenelementen 50 die Hülle eines Treibhauses 51 gebildet werden kann. Die Pflanzen 52 im Inneren des Treibhauses 51 erhalten dadurch genügend Licht bei angenehmen Temperaturen. Das Linsensystem 53 erzeugt ein heißes Fluid, das über eine Leitung 54 einer thermodynamischen Maschine 55 zugeführt wird. Hierbei wird Strom 56 produziert und das abgekühlte Fluid wird über die Leitung 57 dem Linsensystem 53 wieder zugeführt. Durch die fakultative Zwischenschaltung eines Wärmespeichers 58 kann das Energieerzeugungssystem 55 Schlechtwetterperioden überbrücken und grundsätzlich auch tags und nachts arbeiten.
Derartige Treibhäuser sind besonders sinnvoll in semiariden und ariden Klimazonen einsetzbar. Das konditionierte Innenklima gestattet optimales Pflanzen Wachstum. Die in der Hülle erzeugte Energie kann zur Energieversorgung der in solchen modularer weiterungsfähigen "Oasen" benötigten Energie genutzt werden.
Es können aber auch ganz neue Typen von Solarkraftwerken zur Produktion von Strom und dessen Verteilung aufgebaut werden. Die benötigte Standfläche ist hierbei nicht verloren, sondern wird im Gegenteil automatisch aufgewertet, da sie, wie geschildert, optimale Lebens- und Arbeitsbedingungen für Pflanzen und Menschen schafft.
Die Figur 7 stellt schematisch die Energieflüsse in und aus der Energie- und Klimahülle dar. Die einfallende solare Globstrahlung 60 besteht aus den Spektralbereichen A, B, C. A ist das kurzwellige nicht sichtbare UV- Spektrum, B das sichbare Spektrum und C das langwellige, nicht sichtbare Infrarotspektrum. Diese Globalstrahlung wird im Inneren der Klima- und Energiehülle 61 durch die Linsensysteme und Energieleiter in Wärme, Kälte, elektrischen Strom und richtungsorientiertes, konzentriertes Licht 62 umgewandelt. Dabei können die aufgezeigten Energiearten entweder ausschließlich oder in beliebiger Kombination mit den anderen erzeugt werden.
Der diffuse Anteil 63 aus der einfallenden Globalstrahlung wird von dem Linsensystemen nicht gebündelt und gelangt daher als diffuses, blendfreies Licht in den Raum 64 hinter oder unter der Energieklimahülle.
Das erfindungsgemäße System stellt ein vielseitig verwendbares solares Bauelement dar. Es kann vom Einsatz als Fenster-, Fassade- oder Dachelement in konventionellen Bauten bis hin zum Aufbau kompletter, vielgestaltiger Gebäudehüllen genutzt werden. Der Innenraum solcher Gebäude wird in wärme- und lichttechnischer Hinsicht klimatisiert und die Hülle selbst erzeugt die zusätzlich benötigten Energien.

Claims

Patentansprüche:
1 . Lichtelement mit einer lichtdurchlässigen Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Energieleiter aufweist und die lichtdurchlässige Fläche so ausgebildet ist, daß sie nur die direkt auf die Fläche treffende Strahlung auf den Energieleiter richtet.
2. Lichtelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige Fläche eine Fresnellinse, eine holographische Linse oder ein refraktives optisches Element aufweist.
3. Lichtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieleiter eine Solarzelle aufweist.
4. Lichtelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieleiter eine Fluidleitung aufweist.
5. Lichtelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieleiter einen Lichtleiter aufweist.
6. Lichtelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter flexibel ist.
7. Lichtelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende des Lichtleiters der Bewegung einer Fokalebene folgt und das Austrittsende ortsfest au f den Energieleiter gerichtet ist.
8. Lichtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es hinter einer lichtdurchlässigen Schutzfläche angeordnet ist.
9. Lichtelement nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieleiter zwischen der lichtdurchlässigen und einer weiteren lichtdurchlässigen Fläche angeordnet ist.
10. Lichtelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lichtdurchlässige Flächen einen Lebensraum begrenzen.
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