EP2066986A2 - Solarer mehrstufenkonzentrator und gewächshaus - Google Patents

Solarer mehrstufenkonzentrator und gewächshaus

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Publication number
EP2066986A2
EP2066986A2 EP07817530A EP07817530A EP2066986A2 EP 2066986 A2 EP2066986 A2 EP 2066986A2 EP 07817530 A EP07817530 A EP 07817530A EP 07817530 A EP07817530 A EP 07817530A EP 2066986 A2 EP2066986 A2 EP 2066986A2
Authority
EP
European Patent Office
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solar
stage
concentrator according
stage concentrator
solar multi
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07817530A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen KLEINWÄCHTER
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Sunvention International GmbH
Original Assignee
Sunvention International GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Sunvention International GmbH filed Critical Sunvention International GmbH
Publication of EP2066986A2 publication Critical patent/EP2066986A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G9/00—Cultivation in receptacles, forcing-frames or greenhouses; Edging for beds, lawn or the like
    • A01G9/24—Devices or systems for heating, ventilating, regulating temperature, illuminating, or watering, in greenhouses, forcing-frames, or the like
    • A01G9/243—Collecting solar energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S50/00—Arrangements for controlling solar heat collectors
    • F24S50/20—Arrangements for controlling solar heat collectors for tracking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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    • H01L31/0547—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
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    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
    • Y02P60/12—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries using renewable energies, e.g. solar water pumping

Definitions

  • the invention relates to a solar multistage enkonzentrator and a greenhouse.
  • Refractive optics in solar technology are used either as optically imaging lenses (solid lenses or Fresnel lenses) or as optically non-imaging devices, usually referred to in the literature as CPC (Compound Parabolic Concentrator) arrangements.
  • CPC Computer Parabolic Concentrator
  • the imaging lenses (linear or punctiform) image the sun into focal lines or points which, if the contour of the lenses is not exactly parabolic, involve aberrations.
  • Lenses operate on the principle of refraction of the light rays from the optically thin to the optically denser medium and vice versa.
  • With point-type concentrating lenses sunlight can be compacted in practice up to concentration factors of> 10,000 (theoretically up to approx. 44,000), with linear lenses in practice up to> 100 (theoretically up to approx. 200).
  • non-imaging optics concentrate sunlight in wedge-like structures (linear or rotationally symmetric), where the sunlight passing through the aperture surface is reflected at the wedge flanks by total reflection between the outside air and the optical material of the wedge toward the narrower end of the wedge it concentrates, but no longer depicts, exits.
  • CPC Compound Parabolic Concentrator.
  • non-imaging CPC optics are used either when sunlight is to be condensed up to a factor of about 4 without tracking and / or special energy density ratios are to be generated in their exit aperture. Or as a second stage of a concentration level or lens with non-ideal imaging.
  • the CPC serves here for the post concentration of the light ("Second stage concentrator") or for the homogenization of the radiation flow.
  • the invention is based on the object to improve the previous solar technology.
  • the primary concentrator (high concentration mirror or lens) is spatially separated from the downstream non-imaging stage, i. h., there is air between them. This results in the case of the lens system three, the optical efficiency of the arrangement reducing partial reflection losses, in the system with the collecting mirror two.
  • the basic idea of the multi-stage concentrator according to the invention is therefore to connect at least one optically imaging lens integrally with the downstream non-imaging optics so that only a partial reflection at the entrance aperture of the system occurs, the radiation flux until impinging on the lossless coupled Solar converter in the highly transparent dielectric runs and this is on the downstream stage (s) (s) designed so that it is optimally adapted in relation to the specific requirements of the solar converter in its geometric shape, its optical concentration and the energy density distribution.
  • FIG. 1 shows a multistage concentrator with three stages, which has the task of achieving the sunlight falling perpendicular to its entrance aperture on a square exit cross-section of 4 mm 2 and a homogeneous energy density distribution of 600 suns over the entire exit area.
  • the first concentrate precursor (1) which is designed as a spherical cap, concentrates the sunlight into the depth of the transparent dieelectrically (2).
  • the second stage (3) which is designed as secondary concentrator, the radiant flux is still highly inhomogeneous - according to the Kaustik of the ball concentrator - distributed.
  • the secondary concentrator (3) compresses the beam flux impinging on its upper edge on a square area of 8 x 8 mm 2 to the desired square cross-section of 2 x 2 mm 2 .
  • the multi-stage concentrator consists of a highly transparent fluoropolymer body of refractive index 1.3, which is filled with a fluorine liquid of refractive index 1.3 which is also highly transparent over the entire solar single-beam spectrum. While in step 1 of the arrangement the quasi-parallel sunlight is refracted and concentrated directly into the depth of the liquid, in stages 2 and 3 it is concentrated and homogenized by the total reflection at the outer boundary surfaces to the air.
  • liquid-core multi-stage optics described in the example can also be replaced by a solid optical dielectric (PMMA, glass, silicone rubber, etc.).
  • PMMA solid optical dielectric
  • the higher refractive index differences medium-air and thus more compact optical geometries can be realized, but in this case, the solar cell according to Figure 2 is cooled only on the back, while in the former case the only separated by a thin end of the dielectric liquid of the optical front of the Solar cell can give off heat to these.
  • FIG. 3 schematically shows how the final stage of the optical system (4), which consists for example of PMMA, ends in a transparent plate of the same material (FIG. 4a).
  • This plate together with (4b) forms a transparent double-walled plate, which is flowed through by the cooling fluid (preferably highly transparent, radiation-resistant, inert, electrically insulating fluorine fluid).
  • the solar cell protrudes on a metallic strut into the region of the plate in which the diverging rays emerging from (4) reach the size of the solar cell.
  • the cell is now cooled particularly effectively, as it is flowed around dynamically from both sides, and the metallic strut causes an additional surface enlargement.
  • This strut provides the electrical backside contact on the lower plate, which is provided with a conductor pattern.
  • the front side contact is made by a separate cable.
  • the active liquid cooling of the solar cells in the manner described is not only particularly effective, but allows to convert the non-electrical converted part of the radiation (about 60%) in usable liquid heat (electricity-heat coupling). In the case of triple-junction cells, the cooling can rise to 80 ° C. without damaging the cells or generating large efficiency losses. Since solar energy is particularly useful decentralized use, and small consumers in the commercial, agricultural and residential sectors, in particular electricity and heat need, contributes to the described system with high efficiency heat significantly to the economic success of the entire system.
  • Figure 4 shows schematically a typical possibility for constructing a plate-shaped cluster of n-multistage concentrators. These are located on a support frame (10), which realizes via the gimbal bearing (12) both the Clarazimut- and the elevation tracking.
  • the micromotors and control logics required for this purpose are not further explained here since they correspond to the state of the art.
  • the gimbal bearing is preferably mounted on a carrier (10), the meaning of which is apparent from FIG.
  • the rays denoted by (6) represent the diffused light which, after it has penetrated into the optics via the entrance apertures and is not focused into the focus like the parallel sunlight, but over the flanks of the arrangement into the underlying ones Space is flowing.
  • the described optics clusters are installed below the transparent shell of a greenhouse (13).
  • the carrier (11) allows a low-shadow attachment, which adapts to any structures.
  • the under the shell protected from wind and weather arrangement is subject to any wind and weather forces and can thus be manufactured cost-optimized with minimal material costs.
  • multi-stage concentrators in terms of concentration, light distribution and separation (direct / diffuse) makes them particularly suitable for integration into multifunctional structures (greenhouses, architectural shells, etc.), with virtually the total luminous flux falling on the aperture in the form of a Cascade of different types of use leads to a total efficiency> 80%.

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Abstract

Solarer Mehrstufenkonzentrator, bei welchem mindestens eine abbildende Optik einer nichtabbildenden Optik in der Weise vorgeschaltet ist, dass beide Systeme integraler Bestandteil eines spezifisch geformten, lichttransparenten Dieelektrikums sind.

Description

Solarer Mehrstuf enkonzentrator und Gewächshaus
[01] Die Erfindung betrifft einen solaren Mehrstuf enkonzentrator und ein Gewächshaus.
[02] Refraktive Optiken in der Solartechnik werden entweder als optisch abbildende Linsen (Volllinsen oder Fresnellinsen) oder als optisch nicht abbildende, in der Literatur meistens als CPC (Compound Parabolic Concentrator) bezeichnete Anordnungen eingesetzt.
[03] Die abbildenden Linsen (linear oder punktförmig) bilden die Sonne in Brennlinien oder Punkten ab, die - falls die Kontur der Linsen nicht exakt parabolisch ist - Abberationen beinhalten. Linsen arbeiten nach dem Prinzip der Brechung der Lichtstrahlen vom optisch dünnen in das optisch dichtere Medium und umgekehrt. Mit punktförmig konzentrierenden Linsen kann das Sonnenlicht in der Praxis bis hin zu Konzentrationsfaktoren von > 10.000 verdichtet werden (theoretisch bis ca. 44.000), mit linearen Linsen in der Praxis bis > 100 (theoretisch bis ca. 200).
[04] Nichtabbildende Optiken hingegen konzentrieren das Sonnenlicht in keilförmig zulaufenden Strukturen (linear oder rotationssymmetrisch), wobei das durch die Aperturfläche eintretende Sonnenlicht an den Keilflanken durch Totalreflektion zwischen der Außenluft und dem optischen Material des Keiles zum schmaleren Ende des Keiles hin reflektiert wird, wo es konzentriert, aber nicht mehr abbildend, austritt.
[05] Oft sind die Flanken solcher linearer oder rotationssymmetrischer „Keile" parabolisch geformt, weil dadurch die Anordnung gegenüber geraden Wänden kürzer wird, daher der Name CPC = Compound Parabolic Concentrator. [06] Prinzipiell können sehr lange Keile mit gegenüber der optischen Achse nur gering geneigten Flanken das Sonnenlicht bis hin zur theoretischen Grenze konzentrieren, da die Totalreflektion mit 100 % Wirkungsgrad funktioniert.
[07] Dem stehen jedoch in der Praxis zu grosse Baulängen, der damit verbundene hohe Materialaufwand und die bei realen Materialien unvermeidlich auftretenden Lichtabsorptionsverluste in solchen langen Strukturen gegenüber.
[08] Deswegen werden in der Praxis nichtabbildende CPC-Optiken entweder dann eingesetzt, wenn Sonnenlicht bis hin zu einem Faktor von ca. 4 ohne Sonnennachfüh- rung verdichtet werden soll und/oder spezielle Energiedichteverhältnisse in ihrer Austrittsapertur erzeugt werden sollen. Oder als zweite Stufe eines Konzentrationsspiegels oder einer Linse mit nicht-idealer Abbildung. Der CPC dient hier der Nachkonzentration des Lichtes („Second stage concentrator") oder zur Homogenisierung des Strahlungsflusses.
[09] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bisherige Solartechnik zu verbessern.
[10] Diese Aufgabe löst ein solarer Mehrstuf enkonzentrator nach Anspruch 1. Ebenfalls löst diese Aufgabe ein Gewächshaus nach Anspruch 22. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen des solaren Mehrstufenkonzentrators sind insbesondere in den abhängigen Patentansprüchen zu finden.
[11] Bei allen vorbekannten optischen Konzentratoranordnungen ist der Primärkon- zentrator (hochkonzentrierender Spiegel oder Linse) von der nachgeschalteten nichtab- bildenden Stufe räumlich getrennt, d. h., zwischen ihnen liegt Luft. Daraus resultieren im Falle des Linsensystems drei, den optischen Wirkungsgrad der Anordnung mindernde partielle Reflektionsverluste, beim System mit dem Sammelspiegel zwei.
[12] Bei der Linse sind dies: partielle Reflektion in der Eintrittsapertur partielle Reflektion in der Austrittsapertur partielle Reflektion in der Eintrittsapertur der nichtabbildenden Stufe beim Spiegel die partielle Reflektion in seiner Eintrittsapertur und die an der sekundären Optik.
[13] Beim Linsensystem resultieren daraus optische Verluste > 12 %, beim Spiegelsystem von > 8 %.
[14] Der Grundgedanke des erfindungs gemäßen Mehrstufenkonzentrators besteht deswegen darin, mindestens eine optisch abbildende Linse integral mit der nachgeschalteten nichtabbildenden Optik so zu verbinden, dass nur noch eine partielle Reflektion an der Eintrittsapertur des Systems auftritt, der Strahlungsfluss bis zum Auftreffen auf den verlustlos angekoppelten Solarwandler im hochtransparenten Dielektrikum verläuft und dieser über die nachgeschaltete(n) Stufe(n) so gestaltet wird, dass er im Bezug auf die spezifischen Anforderungen des Solarwandlers in seiner geometrischen Form, seiner optischen Konzentration und der Energiedichteverteilung optimal angepasst ist.
[15] Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen solaren Mehrstufenkonzentrators gegenüber dem Stand der Technik werden mit den nachfolgend geschilderten Varianten unter Bezugnahme auf die Zeichnung dargestellt.
[16] Iu Figur 1 ist ein Mehrstufenkonzentrator mit drei Stufen dargestellt, der die Aufgabe hat, das senkrecht auf seine Eintrittsapertur fallende Sonnenlicht auf einen quadratischen Austrittsquerschnitt von 4 mm2 und einer möglichst homogenen Energiedichteverteilung von 600 Sonnen über die gesamte Austrittsfläche zu erzielen. Dabei konzentriert die erste, als Kugelkalotte ausgeführte Konzentratvorstufe (1) das Sonnenlicht in die Tiefe des transparenten Dieelektrikums (2) hinein. Im Eintrittsquerschnitt zur zweiten Stufe (3) ,die als Sekundärkonzentrator ausgeführt ist, ist der Strahlungsfluss noch stark inhomogen - gemäss der Kaustik des Kugelkonzentrators - verteilt. Die maximale Konzentration in dieser Schnittebene beträgt ca. c=260.
[17] Der Sekundärkonzentrator (3) komprimiert den Strahlenfluss, der an seiner O- berkante auf einer quadratischen Fläche von 8 x 8 mm2 auftrifft, auf den gewünschten quadratischen Querschnitt von 2 x 2 mm2. Dabei steigt die Konzentration im immer noch inhomogenen Strahlungsfeld in der Mitte auf über c=800, in den Randbereichen auf ca. c=500. Im nachgeschalteten Homogenisierer-Quader (4) wird im Austrittsquerschnitt eine quasi perfekte homogene Verteilung von ca. c=600 erreicht.
[18] Im gewählten Beispiel besteht der Mehrstufenkonzentrator gemäß einer Erfϊn- dungsausgestaltung aus einem hochtransparenten Fluorpolymerkörper der Brechzahl 1,3, der mit einer ebenfalls über das gesamte solare Einstrahlspektrum hochtransparenten Fluor-Flüssigkeit der Brechzahl 1,3 gefüllt ist. Während in Stufe 1 der Anordnung das quasi parallele Sonnenlicht direkt in die Tiefe der Flüssigkeit gebrochen und kon- zentriert wird, wird es in den Stufen 2 und 3 durch die Totalreflektion an den äußeren Grenzflächen zur Luft nachkonzentriert und homogenisiert.
[19] Der relativ niedrige Brechungsindex der verwendeten Dieelektrika führt zwar zu einer länglichen Struktur, was aber auf Grund der kleinen absoluten Abmaße der Struktur kaum ins Gewicht fällt. Vorteilhaft ist jedoch die niedrige Brechzahl im Bereich der Eingangskalotte (1), da diese somit teilentspiegelt ist.
[20] Rechnet man die Optik unter Berücksichtigung der optischen Material- Parameter, des solaren Spektrums, der Fresnel- Verluste, der Dispersion und des Öffnungswinkels der Sonne von der Erde aus („Sonnengröße") erhält man bei perfekter Sonnenausrichtung (Normalvektor der Apertur zeigt auf Sonne) eine optische Effizienz von 97,3 %. [21] Lässt man eine Winkelabweichung von + 0,5 ° zu (moderne Sonnennachfüh- rungssysteme unterschreiten diese Abweichung), bleibt die Homogenität in der Austrittsebene erhalten, die Effizienz sinkt auf 95,8 % auf Grund einiger weniger, den To- talreflektionswinkel übersteigender, Strahlengänge.
[22] Koppelt man typischerweise eine Hochleistungssolarzelle quadratischen Querschnitts verlustfrei an die Austrittsapertur des geschilderten Mehrstufenkonzentrators an, so kann diese beim heutigen Stand der Technik (sogenannte Triple-junction Solarzellen erreichen heute bei 600 f acher Lichtkonzentration und homogener Lichtverteilung ca. 40 % elektrischen Wirkungsgrad, in einigen Jahren rechnet man mit 50 %) Gesamt- Wirkungsgrade Sonne/Strom von 0,97 x 0,4 = 0,388 erreichen.
[23] Die besten bekannten Anordnungen mit durch Luft getrennten optischen Elementen erreichen ca. 30 %. Die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Mehrstufenkonzentrators drückt sich hierbei, wie geschildert, durch Vermeidung von Reflektionsver- lusten und die Synergie der verschiedenen Stufen in Bezug auf Konzentration und Ho- mogenität aus.
[24] Eine wichtige Voraussetzung zur Erreichung der genannten Wirkungsgrade und für die Lebensdauer der photovoltaischen Wandler besteht in der ausreichenden Kühlung der Solarzellen. Besonders effektiv und kontrollierbar wird diese mittels aktiver Flüssigkeitskühlung.
[25] In Figur 2 ist dies schematisch dargestellt. Dabei stellt (4) den Homogenisatorkeil, (5) die über eine optische Immersion an den Austrittsquerschnitt von (4) angekoppelte Solarzelle, (6) eine transparente, biegesteife Platte an deren Peripherie eine hochtransparente Fluorpolymermembrane (7) in der Weise befestigt ist, dass im Zwischenraum eine transparente dielelektrische Flüssigkeit zirkulieren kann, die die Zelle kühlt. Diese transparente Kühlanordnung ist über die Streben (8) mit der Mehrstufenoptik ver- bunden und lässt den diffusen Lichtanteil (9), der aus den Flanken der Optik dringt, in den Hubraum unterhalb der optischen Anordnung hindurchdringen.
[26] Die im Beispiel geschilderte Mehrstufenoptik mit flüssigem Kern kann auch durch ein festes optisches Dielektrikum (PMMA, Glas, Silikonkautschuk u.a.) ersetzt werden. Dabei können höhere Brechzahlunterschiede Medium-Luft und damit auch kompaktere Optikgeometrien realisiert werden, jedoch wird in diesem Falle die Solarzelle gemäss Figur 2 nur auf der Rückseite gekühlt, während im ersteren Falle die nur durch eine dünne Endmembrane von der dielektrischen Flüssigkeit der Optik getrennte Vorderseite der Solarzelle Wärme an diese abgeben kann.
[27] Grundsätzlich kann die Solarzelle nach einer Version der Erfindungsidee auch trotz einer Optik aus festem dielektrischen Material beidseitig transparent gekühlt werden. In Figur 3 ist schematisch dargestellt, wie die Endstufe der Optik (4), die beispielsweise aus PMMA besteht, in einer transparenten Platte desselben Materials endet (4a). Diese Platte bildet zusammen mit (4b) eine transparente Doppelstegplatte, die vom Kühlfluid (vorzugsweise hochtransparente, strahlungsfeste, inerte, elektrisch isolierende Fluorflüssigkeit) durchflössen wird. Die Solarzelle ragt auf einer metallischen Strebe in den Bereich der Platte, in dem die divergierenden Strahlen, die aus (4) austreten, die Größe der Solarzelle erreichen. Die Zelle wird nun besonders effektiv gekühlt, da sie von beiden Seiten dynamisch umströmt wird, und die metallische Strebe eine zusätzli- che Oberflächenvergrösserung bewirkt. Diese Strebe schafft den elektrischen Rückseitenkontakt auf die untere Platte, die mit einer Leiterstruktur versehen ist. Der Vorderseitenkontakt wird durch ein getrenntes Kabel hergestellt.
[28] Die aktive Flüssigkeitskühlung der Solarzellen in der geschilderten Weise ist nicht nur besonders effektiv, sondern erlaubt es, den nicht-elektrischen gewandelten Teil der Strahlung (ca. 60 %) in nutzbare Flüssigkeitswärme zu überführen (Strom-Wärme- Kopplung). Im Falle von Triple-junction Zellen kann die Kühlung auf 80 0C steigen, ohne die Zellen zu schädigen oder große Wirkungsgradverluste zu erzeugen. [29] Da Solarenergie besonders sinnvoll dezentral einsetzbar ist, und Kleinverbraucher im Gewerbe, im landwirtschaftlichen und privaten Bereich, insbesondere elektrischen Strom und Wärme benötigen, trägt die im geschilderten System mit hohem Wirkungsgrad erzeugte Wärme wesentlich zum ökonomischen Erfolg der Gesamtanlage bei.
[30] Figur 4 zeigt schematisch eine typische Möglichkeit zum Aufbau eines platten- förmigen Clusters von n-Mehrstufenkonzentratoren. Diese befinden sich auf einem Trägergestell (10), welches über das kardanische Lager (12) sowohl die Sonnenazimut- als auch die Elevationsnachführung realisiert. Die hierzu nötigen Mikromotoren und Steu- erlogiken (sensoriell und/oder über digitale Speicherlogiken) werden hier nicht weiter ausgeführt, da sie dem Stand der Technik entsprechen.
[31] Das kardanische Lager ist bevorzugt auf einem Träger befestigt (10), dessen Sinnhaftigkeit aus der Figur 5 hervorgeht. In Figur 4 stellen die mit (6) bezeichneten Strahlen das diffuse Licht dar, das, nachdem es über die Eintrittsaperturen in die Opti- ken eindrang und nicht wie das parallele Sonnenlicht in den Fokus konzentriert wird, sondern über die Flanken der Anordnung in den darunterliegenden Raum strömt.
[32] Da die nachgeschalteten Solarzellen sehr klein, die Kühlsysteme weitgehend transparent und die Aufhängestrukturen der Optik-Cluster filigran sind und somit nur minimalen Schatten produzieren, kann dieser diffuse Tageslichtstrom als drittes EIe- ment in der „Wertschöpfung" des Gesamtsystems angesehen werden (Strom-Wärme- Licht-Kopplung) .
[33] Verdeutlicht wird dieser Tatbestand in Figur 5.
[34] Hier sind die beschriebenen Optik-Cluster unterhalb der transparenten Hülle eines Gewächshauses (13) installiert. Der Träger (11) erlaubt eine schattenarme Befesti- gung, die sich beliebigen Strukturen anpasst. [35] Die unter der Hülle vor Wind und Wetter geschützte Anordnung unterliegt keinerlei Wind- und Wetterkräften und kann somit mit minimalem Materialaufwand kostenoptimiert hergestellt werden.
[36] Der generierte elektrische Strom sowie die Wärme werden aus dem Treibhaus geführt, so dass nur noch das diffuse Licht zur Generierung der Photosynthese ins Innere gelangt. Da die Photosynthese maximal 200 W/m2 benötigt und dieses im Halbschatten, der von den Mehrstufenkonzentratoren geschaffen wird, vorhanden ist, kann das System aus einem Gewächshaus ein kombiniertes Solarkraftwerk machen, wobei die in den heißen Sommermonaten gewonnene thermische Energie bei Langzeitspeicherung zur win- terlichen Beheizung der Pflanzenkulturen genutzt werden kann.
[37] Die flexible Gestaltungsmöglichkeit von Mehrstufenkonzentratoren bezüglich Konzentration, Lichtverteüung und Trennung (direkt/diffus) macht diese besonders geeignet zur Integration in multifunktionale Strukturen (Gewächshäuser, architektonische Hüllen usw.), wobei praktisch der Gesamtlichtstrom, der auf die Apertur fällt in Form einer Kaskade verschiedener Nutzungsarten zu einem Gesamtwirkungsgrad > 80 % führt.

Claims

Patentansprüche:
1. Solarer Mehrstufenkonzentrator, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine abbildende Optik einer nichtabbildenden Optik in der Weise vorgeschaltet ist, dass beide Systeme integraler Bestandteil eines spezifisch geformten, lichttrans- parenten Dieelektrikums sind.
2. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abbildende Optik aus einer Kugelkalotte besteht, die in eine keilförmige, nichtabbildende Optik übergeht.
3. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass die primäre abbildende Optik das senkrecht auf ihrer Aperturfläche einfallende direkte Sonnenlicht im transparenten Dieelektrikum, ohne Totalreflektion an den Flanken zur Luft hin, direkt in die Tiefe der Anordnung führt und hier konzentriert.
4. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich, in dem sich die Fokalzone der ersten Optik ausbildet, die sich anschliessende Kontur der zweiten Stufe die Form einer nichtabbildenden Optik annimmt, die das vorkonzentrierte Licht durch Totalreflektion an ihren Flanken zur Luft hin weiter in die Tiefe führt.
5. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,rfαrf«rcÄ gekennzeichnet, dass die nichtabbildende Optik so gestaltet ist, dass sie das von der ersten Stufe mit sphärischer Abberation konzentrierte Sonnenlicht nachkonzentriert und im Bezug auf die sphärische und die chromatische Abberation vorhomogenisiert.
6. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer dritten, sich integral an die zweite Stufe anschliessende optische Anordnung das konzentrierte Licht durch Totalreflektion an den Grenzflächen Dielektrikum - Luft bezüglich seiner Energiedichte und chromatischen Verteilung nachhomogenisiert wird und die Form der Austrittsfläche dieser dritten Stufe der des gewähltem Solarempfängers angepasst ist.
7. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarempfänger aus einer photovoltaischen Konzentrationszelle besteht, die mittels eines optischen Immersionsmediums di- rekt und verlustarm auf der Austrittsapertur der letzten Stufe der Anordnung befestigt ist.
8. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der Solarzelle durch eine Flüssigkeit gekühlt wird, die durch einen dünnen transparenten Polymerschlauch fließt, der mechanisch an die Solarzelle angedrückt wird.
9. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das konzentrierte Sonnenlicht nach seinem Austritt aus der Endapertur gezielt in eine optisch gekoppelte transparente Doppelplatte divergiert.
10. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelplatte von einer transparenten optischen Kühlflüssigkeit durchflössen wird und dass sich in dieser Flüssigkeit im geeigneten Abstand zum divergierenden Strahlenbündel eine Konzentratorsolar- zelle befindet.
11. Solarer Mehrstuf enkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, dass die Solarzelle auf einem gut wärmeleitendem metallischem Aufsatz auf der Gegenseite der Platte, die als elektronische Druckschaltung aufgebaut ist, endet und den Stromkreis der Zelle hinein in diese Schaltung lenkt.
12. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe aus einer beliebig von der sphärischen Form abweichenden abbildenden Optik besteht und die nachfolgende(n) Stufe(n) als nichtabbildende Konzentratoren bzw. Homogenisatoren so ausgebil- det sind, dass der verwendete Solarempfänger auf seiner optisch in die Endstufe direkt angekoppelten Eintrittsapertur das konzentrierte Sonnenlicht in der gewünschten Energiedichteverteilung empfangt.
13. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenlicht entweder eindimensional in Brennlinien oder zweidimensional in Brennpunkte konzentriert wird, wobei im ersten Fall eine einachsige, im zweiten Fall eine zweiachsige Sonnennachfüh- rung nötig ist.
14. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu einem gewissen Bereich Winkelabwei- chungen bei der Sonnennachführung dadurch kompensiert werden, dass die nichtabbildenden Stufen die resultierenden schrägen Strahlengänge in die Anordnung zurückreflektieren.
15. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der diffuse Anteil des Sonnenlichtes durch die seitlichen Flanken der Anordnung in den darunter liegenden Halbraum strahlt.
16. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Konzentratoren zu flächigen Platten zu- sammengefasst werden.
17. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein- oder zweidimensional abbildenden Platten hinter transparenten Hüllen (Fenster, Fassaden, Dächer, Treibhäuser) die direkte Solarstrahlung in Nutzenergie (Elektrizität, chemische Energie, Wärme) umwandeln, während das diffuse Sonnenlicht zur Beleuchtung der dahinter oder darunter liegenden Räume dient.
18. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optiken aus hochtransparenten, an ihren Ein- und Austrittsaperturen entspiegelten optischen Materialien möglichst hoher Brechzahl bestehen und die Totalrefelektionen an der Grenzfläche optisches Material - Luft entstehen.
19. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optiken aus transparenten Hohlkörpern bestehen, die mit ebenfalls hochtransparenten optischen Flüssigkeiten gefüllt sein.
20. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparenten Wände aus Fluorpolymeren mit niedriger Brechzahl bestehen und die Flüssigkeit, z. B. ein Silikonöl, eine hohe
Brechzahl aufweist, so dass die Totalreflektion an der Grenzfläche Öl - Fluorpolymer stattfindet.
21. Solarer Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände aus Fluorpolymer bestehen und die Flüssigkeit - typisch eine Fluorflüssigkeit oder Wasser - ebenfalls eine niedrige Brechzahl aufweist, so dass die Totalreflektion an der Grenzfläche Hülle - Luft entsteht.
22. Gewächshaus mit einem solaren Mehrstufenkonzentrator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere mit einer Vielzahl solcher solarer Mehrstufenkonzentratoren.
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