NL2013254B1

NL2013254B1 - Helio-energetic conversion device and installation.

Info

Publication number: NL2013254B1
Application number: NL2013254A
Authority: NL
Inventors: Penning Peter; Bijl Roy
Original assignee: Suncycle B V
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-07-11
Also published as: NL2012583A; NL2012583B1

Abstract

Helio-energetische omvorminrichting voor het winnen van energie uit zonlicht zijn ondergebracht in een behuizing (1 0) met een intreedvenster (20) en een optisch stelsel (20,30,50) voor het concentreren van zonlicht op een beperkter doeloppervlak (41..44). Omvormmiddelen zijn voorzien om energie uit zonlicht om te zetten. Het optische stelsel omvat concentratormiddelen (30) die in een aantal afzonderlijke segmenten (31..34) zijn opgedeeld, welke elk een deel van het zonlicht invangen en althans nagenoeg in een daarmee corresponderend afzonderlijk doeloppervlak (41..44) concentreren. Het optische stelsel (50) beeldt de afzonderlijke doeloppervlakken (41..44) van de afzonderlijke segmenten (31..34) althans vrijwel volledig in afzonderlijke deelgebieden van het optische actieve oppervlak van de omvormmiddelen af.Helio-energetic transducer device for generating energy from sunlight is housed in a housing (10) with an entrance window (20) and an optical system (20,30,50) for concentrating sunlight on a more limited target surface (41). 44). Transformers are provided for converting energy from sunlight. The optical system comprises concentrator means (30) which are divided into a number of separate segments (31..34), each of which traps a part of the sunlight and concentrates at least substantially in a separate target surface (41..44) corresponding thereto. The optical system (50) images the individual target surfaces (41 ... 44) of the individual segments (31 ... 34) at least almost completely in separate subareas of the optically active surface of the converting means.

Description

Helio-energetische omvorminrichting en installatieHelio-energetic conversion device and installation

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een helio-energetische omvorminrichting voor het winnen van energie uit zonlicht, omvattende een behuizing met een intreedvenster voor het invangen van zonlicht en met omvormmiddelen die in staat en ingericht zijn om aan zonlicht energie te onttrekken en in een gewijzigde vorm af te staan, waarbij tussen het intreedvenster en de omvormmiddelen een optisch stelsel is voorzien, omvattende refractiemiddelen, welke in staat en ingericht zijn om een lichtbundel aan een intreedzijde onder een eerste hoek te ontvangen en aan een uittreedzijde onder een tweede hoek te laten ontwijken, en omvattende concentratormiddelen, welke in staat en ingericht zijn om zonlicht van de refractiemiddelen in een eerste oppervlak te ontvangen en in een doeloppervlak van kleinere omvang dan het eerste oppervlak te concentreren.The present invention relates to a heli-energetic transducer device for generating energy from sunlight, comprising a housing with an entrance window for capturing sunlight and with transducer means capable and adapted to extract energy from sunlight and in a modified form to be provided, wherein an optical system is provided between the entrance window and the converting means, comprising refraction means, which are capable and adapted to receive a light beam at an entrance side at a first angle and to have it escape at a exit side at a second angle, and comprising concentrator means, which are capable and adapted to receive sunlight from the refraction means in a first surface and to concentrate in a target surface of a smaller size than the first surface.

Een dergelijke inrichting is bekend uit een eerdere octrooiaanvrage van aanvraagster, te weten Europese octrooiaanvrage EP 2.005.074. De daarin beschreven omvorminrichting omvat een gesloten behuizing met een prismatische Fresnel lens als het intreedvenster gevolgd door een parabolische spiegel binnen de behuizing. Zowel de lens als de spiegel zijn individueel roteerbaar om een eigen rotatieas. Door middel van besturingsmiddelen worden de lens en de spiegel voortdurend gericht naar elkaar en ten opzichte van een actuele stand van de zon aan de hemel, zodat een van de zon onder een over de dag en door het j aar variërende invalshoek intredende lichtbundel onder een vaste hoek uittreedhoek van de lens zal ontwijken. Doordat de spiegel eveneens binnen de behuizing roteerbaar is, kan deze met een optische hoofdas daarvan steeds parallel aan de van de lens ontwijkende uitredende lichtbundel worden gericht. Het aan het intreedvenster ingevangen zonlicht wordt aldus voortdurend in het brandpunt van de parabolische spiegel geconcentreerd, ongeacht de positie van de zon aan de hemel.Such a device is known from an earlier patent application of the applicant, namely European patent application EP 2,005,074. The transducer described therein comprises a closed housing with a prismatic Fresnel lens as the entry window followed by a parabolic mirror within the housing. Both the lens and the mirror are individually rotatable about their own axis of rotation. By means of control means, the lens and the mirror are constantly directed towards each other and relative to a current position of the sun in the sky, so that a light beam entering the day and through the year's angle of incidence changes under a fixed beam. angle exit angle of the lens will dodge. Because the mirror is also rotatable within the housing, it can always be directed with an optical main axis thereof parallel to the emerging light beam escaping from the lens. The sunlight captured at the entrance window is thus constantly concentrated at the focal point of the parabolic mirror, regardless of the position of the sun in the sky.

Hoewel aldus een belangrijke vooruitgang wordt geboekt als het gaat om het energetische en economisch rendement van een dergelijke inrichting, laat de bekende inrichting niettemin nog ruimte voor verbetering. Doordat de breking van het zonlicht door de refractiemiddelen golflengte-afhankelijk is, zullen niet alle kleurcomponenten van het zonlicht in dezelfde mate in het brandpunt worden geconcentreerd. Ook is de intredende zonlichtbundel in de praktijk niet volstrekt evenwijdig, maar kent deze een geringe openingshoek die zich vertaalt naar een dito spreiding in de hoek waaronder het zonlicht van de refractiemiddelen ontwijkt en op de concentratormiddelen invalt. Daarnaast eisen onvermijdelijke productie-toleranties van de verschillende optische componenten hun tol in de vorm van daardoor evenzeer onvermijdelijke optische aberraties in het systeem van de uiteindelijke inrichting. En naast deze optische onvolkomenheden, is ook een energiehuishouding in de omvormmiddelen een thema, waardoor ook deze niet onder alle omstandigheden een optimaal rendement zullen leveren.Although significant progress is thus made with regard to the energetic and economic efficiency of such a device, the known device nevertheless leaves room for improvement. Because the refraction of the sunlight by the refraction means is wavelength-dependent, not all color components of the sunlight will be concentrated to the same extent at the focal point. The incoming sunlight bundle is also not completely parallel in practice, but has a small opening angle which translates into a ditto spread in the angle at which the sunlight escapes from the refraction means and falls onto the concentrator means. In addition, unavoidable production tolerances of the various optical components take their toll in the form of thereby also unavoidable optical aberrations in the system of the final device. And in addition to these optical imperfections, energy management in the transformers is also a theme, so that these too will not deliver optimum efficiency under all circumstances.

Met de onderhavige uitvinding wordt onder meer beoogd te voorzien in een helio-energetsiche omvorminrichting die aan één of meer van deze bezwaren althans in belangrijke mate een oplossing biedt.The present invention has for its object, inter alia, to provide a heli-energy conversion device which offers at least a significant solution to one or more of these drawbacks.

Om het beoogde doel te bereiken heeft een helio-energetische omvorminrichting van de in de aanhef beschreven soort volgens de uitvinding als kenmerk dat het eerste oppervlak in een aantal afzonderlijke segmenten is opgedeeld, welke elk een deel van een van de refractiemiddelen ontwijkende lichtbundel invangen en in een daarmee corresponderend doeloppervlak van beperktere omvang concentreren, en dat het optische stelsel in staat en ingericht is om de afzonderlijke doeloppervlakken van de afzonderlijke segmenten in afzonderlijke deelgebieden van een optisch actief oppervlak van de omvormmiddelen af te beelden.In order to achieve the intended object, a heli-energetic transducer of the type described in the opening paragraph is characterized in that the first surface is divided into a number of separate segments, each of which traps a part of a light beam avoiding the refraction means and concentrate a corresponding target surface of a smaller size, and that the optical system is capable and adapted to image the individual target surfaces of the individual segments in separate sub-regions of an optically active surface of the converting means.

Aldus omvat de inrichting concentratormiddelen met een meerledig reflectieoppervlak, waarvan de segmenten ieder een eigen brandpunt hebben om daarmee een eventuele spreiding in de aangeboden lichtbundel te kunnen accommoderen en het zonlicht als afzonderlijke fracties te kunnen verwerken. Doordat deze fracties op afzonderlijke deelgebieden van het actieve oppervlak van de omvormmiddelen worden afgebeeld, wordt een egalere spreiding van het zonlicht over een actief oppervlak van de omvormmiddelen bewerkstelligd. Dit komt zowel een energetisch rendement als een warmtehuishouding van de omvormmiddelen in belangrijke mate ten goede en vertaalt zich bovendien in een verlengde levensduur, met name indien daarbij gedoteerde halfgeleidercomponenten zijn betrokken.The device thus comprises concentrator means with a multiple reflection surface, the segments of which each have their own focal point in order to be able to accommodate a possible spread in the offered light beam and to process the sunlight as separate fractions. Because these fractions are imaged on separate sub-areas of the active surface of the converting means, a more even distribution of the sunlight over an active surface of the converting means is achieved. This greatly benefits both an energetic efficiency and a thermal management of the converting means and moreover translates into an extended service life, in particular if doped semiconductor components are involved.

In een voorkeursuitvoeringsvorm heeft een helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding als kenmerk dat de concentratormiddelen reflectiemiddelen omvatten met een meervoudig reflectieoppervlak van een aantal althans nagenoeg aaneengesloten althans nagenoeg parabolisch gekromde segmenten met onderling althans in hoofdzaak evenwijdige optische hoofdassen waarlangs de intredende lichtbundel wordt ontvangen en met onderling afzonderlijke brandpunten waarnaar een door een segment ingevangen deel van de lichtbundel wordt geconvergeerd.In a preferred embodiment, a heli-energy conversion device according to the invention is characterized in that the concentrator means comprise reflection means with a multiple reflection surface of a number of at least substantially contiguous at least substantially parabolic curved segments with mutually at least substantially parallel main optical axes along which the incoming light beam is received and with mutually separate focal points to which a part of the light beam captured by a segment is converged.

Daarbij zij opgemerkt dat op zichzelf uit voormelde eerdere octrooiaanvrage van aanvraagster bekend is om een reflector uit te voeren met afzonderlijke segmenten. In de bekende inrichting focusseren deze segmenten echter naar eenzelfde, gemeenschappelijk brandpunt, terwijl in de inrichting volgens de uitvinding de segmenten van het eerste oppervlak ieder een eigen, onderling ruimtelijk gescheiden brandpunt hebben. Aldus verwerken deze segmenten de daarop vallende delen van het aangeboden zonlicht als individuele fracties die als zodanig naar afzonderlijke doeloppervlakken en deelgebieden van het actieve oppervlak van de omvormmiddelen worden geleid. Aldus kan de beoogde spreiding van het zonlicht over de omvormmiddelen worden bereikt en kan worden ingespeeld op eventuele optische aberraties, constructie-toleranties en uitlijningsfouten van het systeem, wat een toename van het energetisch rendement van de inrichting tot gevolg heeft.It should be noted that it is known per se from the aforementioned earlier patent application of applicant to design a reflector with individual segments. In the known device, however, these segments focus on the same, common focal point, while in the device according to the invention, the segments of the first surface each have their own, mutually spatially separated focal point. Thus, these segments process the parts of the sunlight provided thereon as individual fractions which are guided as such to separate target surfaces and sub-regions of the active surface of the converting means. The intended spread of the sunlight over the converting means can thus be achieved and it is possible to respond to any optical aberrations, construction tolerances and alignment errors of the system, which results in an increase in the energy efficiency of the device.

Een verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de helio-energetische omvorminrichting heeft daarbij volgens de uitvinding als kenmerk dat het reflectieoppervlak is samengesteld uit vier althans in hoofdzaak aaneengesloten segmenten die volgens kwadranten circa rondom het actieve oppervlak van de omvormmiddelen zijn gerangschikt. Dankzij de centrale ligging van de omvormmiddelen zullen deze vanuit elk van de kwadranten relatief gelijkelijk worden belicht, waardoor het zonlicht met een gunstige energetische spreiding aan de omvormmiddelen zal worden aangeboden.According to the invention, a further special embodiment of the heli-energetic transducer device herein has the feature that the reflection surface is composed of four at least substantially contiguous segments arranged in quadrants about the active surface of the transducer means. Thanks to the central location of the converting means, they will be illuminated relatively uniformly from each of the quadrants, so that the sunlight will be offered to the converting means with a favorable energetic spread.

Op zichzelf kunnen refractiemiddelen en daarop afgestemde concentratormiddelen van uiteenlopende aard binnen het kader van de uitvinding worden ingezet. Bij voorkeur wordt daarbij gestreefd naar een combinatie die zich in een relatief compacte behuizing laat onderbrengen en uitwendig van de behuizing geen bewegende en daardoor storingsgevoelige delen kent, althans uitwendig geen vormverandering behoeft te ondergaan om het zonlicht optimaal in te kunnen vangen. Een verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding beantwoordt volledig aan deze eisen en is daartoe gekenmerkt doordat de refractiemiddelen een prismatische lens omvatten met een getrapt zaagtandprofïel aan een eerste hoofdoppervlak daarvan en een vlakke structuur aan een tegenovergelegen tweede hoofoppervlak, in het bijzonder een Fresnel lens. Een dergelijke prismatische lens is in staat om een evenwijdige lichtbundel onder een invalshoek in te vangen en onder een uittreedhoek af te staan, waarbij de uittreedhoek, gegeven bepaalde materiaalfactoren en een golflengte van het licht, rechtstreeks afhankelijk is van de invalshoek. Een relatief eenvoudige rotatie van een dergelijke lens om een rotatie-as volstaat om een veranderende positie van de zon aan de hemel te kunnen volgen teneinde een inclinatie van de uittredende bundel ten opzichte van een vlak van de lens constant te houden.Refraction means and concentrator means of a different nature adapted thereto can be used per se within the scope of the invention. The aim is preferably a combination which can be accommodated in a relatively compact housing and which has no moving parts which are sensitive to the outside of the housing and therefore does not have to undergo any change of shape in order to be able to optimally capture the sunlight. A further particular embodiment of the helio-energetic transducer device according to the invention fully meets these requirements and is therefor characterized in that the refraction means comprise a prismatic lens with a stepped sawtooth profile on a first main surface thereof and a flat structure on an opposite second main surface, in the opposite direction. especially a Fresnel lens. Such a prismatic lens is capable of capturing a parallel light beam at an angle of incidence and giving it off at an angle of exit, the angle of exit, given certain material factors and a wavelength of the light, being directly dependent on the angle of incidence. A relatively simple rotation of such a lens about an axis of rotation suffices to be able to follow a changing position of the sun in the sky in order to keep a tilt of the emerging beam relative to a plane of the lens constant.

Met het oog op een vol-automatische sturing van de inrichting die zich voortdurend optimaal aanpast en richt naar een veranderende stand van de zon aan de hemel, heeft een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding als kenmerk dat de refractiemiddelen in de behuizing roteerbaar zijn om een eerste rotatieas en zijn gekoppeld aan eerste verplaatsingsmiddelen om daaraan een rotatie om de eerste rotatieas op te leggen, dat de concentratormiddelen in de behuizing roteerbaar zijn om een tweede rotatieas, al of niet samenvallend met de eerste rotatieas, en zijn gekoppeld aan tweede verplaatsingsmiddelen om daaraan een rotatie om de tweede rotatieas op te leggen, en dat de eerste en tweede verplaatsingsmiddelen zijn gekoppeld aan besturingsmiddelen die, althans gedurende bedrijf, de verplaatsingsmiddelen aansturen om de refractiemiddelen en de concentratormiddelen ten opzichte van elkaar en ten opzichte van de zon te richten afhankelijk van een actuele stand van de zon aan de hemel door een rotatie van ten minste één van de refractiemiddelen en de concentratormiddelen om respectievelijk de eerste rotatieas en de tweede rotatieas.With a view to fully automatic control of the device which constantly adapts optimally and focuses to a changing position of the sun in the sky, a further preferred embodiment of the heli-energetic converter device according to the invention has the feature that the refraction means in the housing can be rotated about a first axis of rotation and are coupled to first displacement means to impose a rotation thereon about the first axis of rotation, that the concentrator means in the housing are rotatable about a second axis of rotation, whether or not coinciding with the first axis of rotation, and are coupled to second displacement means to impose a rotation thereon about the second axis of rotation, and that the first and second displacement means are coupled to control means which, at least during operation, control the displacement means about the refraction means and the concentrator means with respect to each other and with respect to the direct sun depending on n a current position of the sun in the sky by a rotation of at least one of the refraction means and the concentrator means about the first rotation axis and the second rotation axis, respectively.

Om de door de afzonderlijke segmenten verwerkte fracties van het zonlicht uiteindelijk op een gemeenschappelijk actieve oppervlak van de omvormmiddelen bijeen te brengen, heeft een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding als kenmerk dat tussen de afzonderlijke doeloppervlakken van de segmenten en het actieve oppervlak secundaire optische middelen zijn voorzien om een van een segment ontwijkende deelbundel ter hoogte van het daarmee corresponderende doeloppervlak in te vangen en althans nagenoeg volledig in een eigen gebied van het actieve oppervlak af te beelden.To finally bring the fractions of the sunlight processed by the individual segments together on a common active surface of the converting means, a further preferred embodiment of the heli-energetic converting device according to the invention is characterized in that between the individual target surfaces of the segments and the active surface secondary optical means are provided for capturing a sub-beam evading a segment at the level of the corresponding target surface and for imaging it substantially completely in its own region of the active surface.

De secundaire optische middelen zijn in staat om de afzonderlijke fracties nabij hun individuele doeloppervlakken (i.e. brandpunten) met aldaar voorziene intreedvensters in te vangen en vervolgens naar de afzonderlijke deelgebieden van het actieve oppervlak te leiden. Daarbij heeft de helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding in een verdere voorkeursuitvoeringsvorm als kenmerk dat de secundaire optische middelen voor elk segment een optisch intreedvenster omvatten dat in een optische baan juist voor het brandpunt van het betreffende segment is gelegen. Een individueel brandpunt valt aldus niet volledig samen met een intreedvenster maar ligt een weinig daarachter, waardoor het zonlicht van iedere fractie gunstiger kan worden ingevangen en reeds een zekere ruimtelijke spreiding over het actieve oppervlak kent.The secondary optical means are capable of capturing the individual fractions near their individual target surfaces (i.e. focal points) with entry windows provided therein and then guiding them to the individual subareas of the active surface. In a further preferred embodiment, the heli-energy conversion device according to the invention has the feature that the secondary optical means for each segment comprise an optical entry window which is located in an optical path just before the focal point of the relevant segment. An individual focal point thus does not completely coincide with an entrance window, but lies slightly behind it, so that the sunlight from each fraction can be captured more favorably and already has a certain spatial spread over the active surface.

Op zichzelf kunnen de secundaire optische middelen afzonderlijke optische componenten omvatten, doch in een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding gekenmerkt doordat de secundaire optische middelen zijn samengevoegd in een gemeenschappelijke secundaire optische component, welke in het bijzonder een gemeenschappelijk monolithisch secundair optisch glaslichaam omvat. De omvormmiddelen kunnen daarbij rechtstreeks op deze component worden voorzien, zodat daarmee een samenhangende eenheid wordt bereikt die zich als één geheel laat assembleren c.q. verwisselen.The secondary optical means may comprise individual optical components per se, but in a further preferred embodiment the heli-energy conversion device according to the invention is characterized in that the secondary optical means are combined in a common secondary optical component, which in particular is a common monolithic secondary optical glass body. The transforming means can be provided directly on this component, so that a coherent unit is thereby achieved which can be assembled or exchanged as a whole.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van de helio-energetische omvorminrichting omvat een specifieke dergelijke optische component en is daartoe gekenmerkt doordat de secundaire optische eenheid voor ieder segment tussen het intreedvenster en een gemeenschappelijk uittreedvenster een volgens het uittreedvenster afgeschuind maar overigens althans nagenoeg conisch lichaam omvat, waarbij individuele hartlijnen van de afzonderlijke conische lichamen met het uittreedvenster een inclinatiehoek insluiten, in het bijzonder een inclinatiehoek die tussen 55 en 75 graden ligt, meer in het bijzonder een inclinatiehoek van circa 60 graden of circa 70 graden. De conische lichamen openen daarbij met een optisch intreedvenster elk naar één van de segmenten van de concentratormiddelen om de daarvan ontwijkende fractie zonlicht in te vangen. Dankzij interne reflectie aan de wanden van het betreffende lichaam wordt het zonlicht vervolgens grotendeels ingevangen en naar het uittreedvenster geleid. Het actieve oppervlak van de omvormmiddelen bevindt zich daarbij tegenover het uittreedvenster. Eventueel toch uit het lichaam ontwijkend zonlicht zal dankzij de gekozen compacte opbouw van het geheel op een ander deelgebied van het actieve oppervlak worden ingevangen, zodat de energie inhoud daarvan voor conversie behouden blijft.A special embodiment of the heli-energy conversion device comprises a specific such optical component and is therefor characterized in that the secondary optical unit for each segment between the entrance window and a common exit window comprises a body that is chamfered according to the exit window, but otherwise at least substantially conical, wherein individual center lines of the individual conical bodies with the exit window include an inclination angle, in particular an inclination angle that is between 55 and 75 degrees, more in particular an inclination angle of approximately 60 degrees or approximately 70 degrees. The conical bodies open with an optical entry window each to one of the segments of the concentrator means to capture the fraction of sunlight escaping therefrom. Thanks to internal reflection on the walls of the body in question, the sunlight is then largely captured and directed to the exit window. The active surface of the converting means is thereby opposite the exit window. Any sunlight that escapes from the body will be captured thanks to the chosen compact structure of the whole on another sub-area of the active surface, so that the energy content thereof is retained for conversion.

Bijzonder gunstige resultaten en conversie rendementen zijn geboekt met een verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding, welke is gekenmerkt doordat de secundaire optische eenheid tezamen met de omvormmiddelen op een vaste positie althans nagenoeg in een denkbeeldig middenloodvlak ten opzichte van de segmenten van de concentratormiddelen zijn opgehangen, waarbij de intreedvensters van de optische eenheid althans nagenoeg ter hoogte van de brandpunten van de segmenten zijn gelegen, in het bijzonder een weinig centraal daarvoor, en meer in het bijzonder doordat de secundaire optische eenheid en de omvormmiddelen uitgaan van een verbindingsarm die althans nagenoeg eenzijdig van de behuizing uitgaat. Laatsgenoemde eenzijdige ophanging staat toe om inrichting op locatie zodanig te oriënteren dat de arm ten opzichte van de omvormmiddelen zich voornamelijk aan een schaduwzijde bevindt, opdat daardoor niet of nauwelijks een verlies aan rendement zal worden veroorzaakt.Particularly favorable results and conversion efficiencies have been achieved with a further particular embodiment of the heli-energetic transducer device according to the invention, which is characterized in that the secondary optical unit together with the transducer means at a fixed position at least substantially in an imaginary center perpendicular plane with respect to the segments of the concentrator means are suspended, the entry windows of the optical unit being located at least substantially at the focal points of the segments, in particular a little centrally therefor, and more particularly in that the secondary optical unit and the converting means start from a connecting arm extending from the housing at least substantially unilaterally. The latter one-sided suspension allows orientation on location to be such that the arm relative to the converting means is mainly on a shadow side, so that this will cause little or no loss of efficiency.

De helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding is in staat om het ingevangen zonlicht op een beperkt doeloppervlak voor conversie te concentreren. Een groot voordeel daarvan is dat met conversiemiddelen van slechts een beperkte omvang kan worden volstaan, wat belangrijk bijdraagt aan een economisch rendement van de inrichting dat voor een belangrijk deel afhankelijk is van een nog immer aanzienlijke kostprijs van voorkomende helio-energetische conversiemiddelen, zoals zonnecellen. Een belangrijke economische rendementsverbetering is dan ook geboekt met een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding, die is gekenmerkt doordat de omvormmiddelen ten minste één fotovoltaïsch cellichaam omvatten, in het bijzonder een fotovoltaïsch cellichaam omvattende een III-V halfgeleiderlaag, meer in het bijzonder een III-V galium-arsenide (GaAs) laag en/of een indium-galium-phosphide (InGaP) laag. De beperkte omvang van het doeloppervlak van de inrichting staat met name toe om daarvoor dergelijke relatief kostbare maar voor de beoogde conversie bijzonder gunstige III-V halfgeleidercomponenten in te zetten.The heli-energetic conversion device according to the invention is capable of concentrating the captured sunlight on a limited target surface for conversion. A major advantage thereof is that conversion means of only a limited size are sufficient, which makes an important contribution to an economic efficiency of the device that is largely dependent on a still considerable cost of occurring heli-energetic conversion means, such as solar cells. An important economic efficiency improvement has therefore been achieved with a further preferred embodiment of the heli-energetic converter device according to the invention, which is characterized in that the converting means comprise at least one photovoltaic cell body, in particular a photovoltaic cell body comprising an III-V semiconductor layer, more in in particular a III-V galium arsenide (GaAs) layer and / or an indium-galium phosphide (InGaP) layer. The limited size of the target surface of the device allows in particular to use such relatively expensive but particularly favorable III-V semiconductor components for the intended conversion.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een samenhangende helio-energetische installatie, omvattende een reeks in onderling verband gekoppelde omvorminrichtingen volgens de uitvinding met voor althans een aantal van de reeks omvorminrichtingen gemeenschappelijke besturingsmiddelen en een door althans een aantal van de reeks omvorminrichtingen gedeelde energetische uitgang. De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en een bijbehorende tekening. In de tekening toont: figuur 1 in doorsnede een uitvoeringsvoorbeeld van een helio-energetische omvorminrichting volgens de uitvinding; figuur 2 een uitvergrote weergave van secundaire optische middelen zoals toegepast in de inrichting van figuur 1; figuur 3 schematisch een bovenaanzicht van de reflectiemiddelen en secundaire optische middelen van de inrichting van figuur 1; figuur 4 een energetische distributie van invallend zonlicht over afzonderlijke intreedvensters van de secundaire optische middelen van figuur 3, zoals bepaald op basis van simulatie berekeningen; figuur 5 een energetische distributie van invallend zonlicht over het doeloppervlak en actief oppervlak van de omvormmiddelen, waarin de secundaire optische middelen van figuur 3 zijn toegepast, zoals bepaald op basis van simulatie berekeningen; en figuur 6 een foto-voltaïsche stroomverdeling op basis van een lichtverdeling, rekening houdend met spectrale aberraties, over het actief oppervlak van de omvormmiddelen, waarin de secundaire optische middelen van figuur 3 zijn toegepast, zoals bepaald op basis van simulatie berekeningen.The invention also relates to a coherent heli-energetic installation, comprising a series of mutually coupled converting devices according to the invention with control means common to at least a number of the series of converting devices and an energetic output shared by at least a number of the series of converting devices. The invention will now be further elucidated with reference to an exemplary embodiment and an accompanying drawing. In the drawing: figure 1 shows in cross section an exemplary embodiment of a heli-energetic converter device according to the invention; Figure 2 is an enlarged view of secondary optical means as used in the device of Figure 1; Fig. 3 schematically shows a top view of the reflection means and secondary optical means of the device of Fig. 1; figure 4 shows an energetic distribution of incident sunlight over individual entry windows of the secondary optical means of figure 3, as determined on the basis of simulation calculations; Fig. 5 shows an energetic distribution of incident sunlight over the target surface and active surface of the converting means, in which the secondary optical means of Fig. 3 are applied, as determined on the basis of simulation calculations; and figure 6 shows a photovoltaic current distribution based on a light distribution, taking into account spectral aberrations, over the active surface of the converting means, in which the secondary optical means of figure 3 are applied, as determined on the basis of simulation calculations.

De figuren zijn overigens zuiver schematisch en niet op schaal getekend. Met name kunnen terwille van de duidelijkheid sommige dimensies in meer of mindere mate overdreven zijn weergeven. Overeenkomstige delen zijn in het algemeen voorzien van eenzelfde verwijzingscijfer.The figures are purely schematic and not drawn to scale. In particular, for the sake of clarity, some dimensions may be exaggerated to a greater or lesser extent. Corresponding parts are generally provided with the same reference numeral.

Destijds, in 2007, werd door aanvraagster een volledig nieuw en ongeëvenaarde helio-energetisch omvorminrichting geïntroduceerd met zonnevolgmiddelen die tezamen met alle voor het invangen en omvormen van zonlicht verantwoordelijke optische en elektronische componenten in een gemeenschappelijke gesloten behuizing zijn ondergebracht. Deze inrichting is nader beschreven in eerder genoemde Europese octrooiaanvrage van aanvraagster. Zelfs nu nog zijn er helio-energetische omvorminrichtingen die ofwel volledig stationair zijn, en dus geen rekening kunnen houden met een actuele zonnestand aan de hemel, ofwel voor het volgen van de zon een beroep moeten doen op externe volgsystemen die niet alleen veel ruimte vergen maar bovendien storingsgevoelig en kostbaar zijn. Gelijk de eerder door aanvraagster voorgestelde inrichting, vermijdt de helio-energetische omvorminrichting conform het onderhavige voorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding een dergelijk uitwendig systeem en voorziet de uitvinding in een bijzonder compacte en zelfstandig opererende eenheid.At the time, in 2007, a completely new and unparalleled heli-energetic inverter was introduced by the applicant with solar tracking devices which, together with all optical and electronic components responsible for the capture and conversion of sunlight, are housed in a common closed housing. This device is further described in the aforementioned European patent application of the applicant. Even now, there are helio-energetic transducers that are either completely stationary and therefore unable to take into account a current sun position in the sky or that have to rely on external tracking systems for tracking the sun, which not only require a lot of space but are also susceptible to malfunctions and expensive. Like the device previously proposed by the applicant, the heli-energetic conversion device according to the present example of a device according to the invention avoids such an external system and the invention provides a particularly compact and independently operating unit.

Dit uitvoeringsvoorbeeld van een dergelijke inrichting voor het winnen van energie uit zonlicht is in doorsnede in figuur 1 weergegeven. De inrichting is volledig ondergebracht in een althans nagenoeg stofdichte, in hoofdzaak gesloten behuizing 10 die uitgaat van een bodemframe 15. Desgewenst kan de behuizing onder een zekere hoek ten opzichte van het aardoppervlak worden opgesteld om, afhankelijk van de hoogtegraad en breedtegraad van de specifieke locatie op aarde en afhankelijk van een eventuele locale inclinatie van het aardoppervlak ten opzichte van de horizon, de zon ter plaatse zo effectief mogelijk in te vangen.This embodiment of such a device for extracting energy from sunlight is shown in section in Figure 1. The device is completely accommodated in an at least substantially dust-tight, substantially closed housing 10 which emanates from a bottom frame 15. If desired, the housing can be arranged at a certain angle with respect to the earth's surface in order to, depending on the degree of latitude and latitude of the specific location on earth and depending on a possible local inclination of the earth's surface relative to the horizon, to catch the sun locally as effectively as possible.

De inrichting maakt gebruik van een tweetal optische componenten, die elk roteerbaar om een eigen rotatieas in de inrichting zijn gemonteerd, om enerzijds de zon in te vangen en bijzonder efficiënt op een beperkter doeloppervlak te concentreren en anderzijds om te voorzien in een volledig in de behuizing ingesloten en bijzonder effectief zonnevolgsysteem. In de eerste plaats gaat het daarbij om refractiemiddelen in de vorm van een draaibare prismatische lens 20 die dient als intreedvenster waardoor zonlicht in de inrichting wordt toegelaten.The device uses two optical components, each of which is rotatably mounted around its own axis of rotation, to capture the sun on the one hand and to concentrate particularly efficiently on a more limited target surface and on the other hand to provide a complete housing enclosed and particularly effective solar tracking system. In the first place, these are refraction means in the form of a rotatable prismatic lens 20 which serves as an entrance window through which sunlight is allowed into the device.

Het gaat daarbij om een aan een buitenzijde vlak, transparant plaatlichaam 20 dat de inrichting aan een intreedzijde afsluit en dat aan een binnenzijde in het oppervlak is voorzien van een regelmatig zaagtandprofiel. Een bijzondere en in het onderhavige voorbeeld bij uitstek geschikte vorm daarvan is een zogenaamde Fresnel lens. Hoewel ieder transparant materiaal daarvoor kan worden ingezet, in het bijzonder helder glas, wordt hier uit oogpunt van kostprijs en verwerkbaar heid met voordeel een transparante kunststof toegepast, zoals polymethyl-metacrylaat (PMMA) of polycarbonaat, waarbij het daaruit gevormde plaatlichaam eventueel nog kan zijn voorzien van een optische coating, bijvoorbeeld een anti-reflectiecoating, en/of een krasvaste beschermingslaag.This is a transparent plate body 20 which is flat on an outer side and which closes the device on an entrance side and which is provided with a regular sawtooth profile on an inner side in the surface. A special and particularly suitable form thereof in the present example is a so-called Fresnel lens. Although any transparent material can be used for this, in particular clear glass, a transparent plastic such as polymethyl-metacrylate (PMMA) or polycarbonate is advantageously used here from the viewpoint of cost and processability, the plate body formed therefrom possibly being still provided with an optical coating, for example an anti-reflection coating, and / or a scratch-resistant protective layer.

De lens 20 is draaibaar om een rotatie-as 25 in de behuizing gemonteerd en wordt aangedreven door een eerste stappenmotor 26 die in de behuizing is ondergebracht. Daarmee kan een nauwkeurig bepaalde rotatie om de eigen rotatieas 25, van de orde van enkele tienden van een graad nauwkeurig, aan de lens 20 worden opgelegd. Een niet nader getoonde aritmetische aansturingseenheid, die rekening houdt met een actuele stand van de zon aan de hemel, is aan de stappenmotor gekoppeld en kan zowel inwendig als uitwendig van de behuizing 10 zijn voorzien.The lens 20 is rotatably mounted in the housing about a rotation axis 25 and is driven by a first stepper motor 26 housed in the housing. With this a precisely determined rotation about the own axis of rotation 25, of the order of a few tenths of a degree accurate, can be imposed on the lens 20. An arithmetic control unit, not shown in more detail, which takes into account a current position of the sun in the sky, is coupled to the stepper motor and can be provided with the housing 10 both internally and externally.

Zonlicht al naar gelang het tijdstip van de dag, de dag van het jaar en de plaats op aarde onder een telkens andere invalshoek op de lens 20 invalt kan door een daarop afgestemde rotatie van de lens om de rotatieas 25, die door de aritmetische aansturing op basis van voornoemde parameters werd berekend, zodanig worden refracteerd dat de bundel zonlicht niettemin steeds onder een constante inclinatie met het vlak van de lens uittreedt om onder die constante inclinatie door in de behuizing verder opgenomen concentratormiddelen te worden ontvangen.Sunlight depending on the time of day, the day of the year and the location on earth at a different angle of incidence on the lens 20 can be achieved by a coordinated rotation of the lens about the axis of rotation 25, which arithmetic control calculated on the basis of the aforementioned parameters, such that the beam of sunlight nevertheless always exits under a constant inclination with the plane of the lens in order to be received under that constant inclination by concentrator means further accommodated in the housing.

Deze concentratormiddelen omvatten in het onderhavige voorbeeld een reflector 30 met een parabolisch gekromd reflectieoppervlak. Ook de reflector is om een eigen rotatieas 35 roteerbaar en wordt daartoe aangedreven door een tweede stappenmotor 36 die eveneens in de behuizing is ondergebracht. De oriëntatie en kromming van de parabolische reflector en de inclinatie waaronder de zonlichtbundel van de lens ontwijkt zijn zodanig op elkaar afgestemd dat een optische hoofdas 37 van de parabolische reflector 30 eenzelfde inclinatie ten opzichte van de lens 20 heeft. Door een adequate rotatie van de reflector 30 of de rotatieas 35 kan aldus de optische hoofdas 37 van de reflector steeds evenwijdig aan de van de lens 20 uitredende zonlichtbundel worden gesteld. Ook deze rotatie wordt door de aritmetische eenheid op basis van eerder genoemde parameters berekend en door middel van de daardoor aangestuurde tweede stappenmotor 36 aan de reflector 30 opgelegd. De door de inrichting ingevangen bundel zonlicht zal daardoor steeds naar een brandpunt van de parabolische reflector worden geconvergeerd en daarmee op een beperkter doeloppervlak geconcentreerd. Aldus kan, ongeacht het moment van de dag of de dag van het j aar, op willekeurig welke locatie op aarde een optimale vangst en concentratie van zonlicht worden bereikt.In the present example, these concentrator means comprise a reflector 30 with a parabolic curved reflection surface. The reflector is also rotatable about its own axis of rotation 35 and is therefor driven by a second stepping motor 36 which is also accommodated in the housing. The orientation and curvature of the parabolic reflector and the inclination under which the sunlight beam escapes from the lens are matched to each other such that an optical main axis 37 of the parabolic reflector 30 has the same inclination with respect to the lens 20. By adequate rotation of the reflector 30 or the axis of rotation 35, the main optical axis 37 of the reflector can thus always be made parallel to the sunlight beam emerging from the lens 20. This rotation is also calculated by the arithmetic unit on the basis of the aforementioned parameters and imposed on the reflector 30 by means of the second stepping motor 36 controlled thereby. The beam of sunlight captured by the device will therefore always be converged to a focal point of the parabolic reflector and thereby concentrated on a more limited target surface. Thus, regardless of the time of the day or the day of the year, an optimum capture and concentration of sunlight can be achieved at any location on earth.

Conform de uitvinding omvat het reflectoroppervlak van de reflector 30 een aantal afzonderlijke segmenten 31..34, die ieder een daardoor ingevangen deel van de zonlichtbundel naar een eigen brandpunt convergeren en daarmee in een beperkter doeloppervlak 41..44 concentreren, zie ook figuur 3. De segmenten zijn daartoe elk parabolisch gekromd met onderling evenwijdige parabolische hoofdassen, die zijn afgestemd op de inclinatie waaronder de zonlichtbundel van de lens zal ontwijken. Het optische stelsel van de inrichting omvat naast de primaire lens 20 en de concentratormiddelen 30 tevens secundaire optische middelen 50, zie ook figuur 2, en is daarmee is staat het zonlicht nabij elk van de brandpunten 41..44 te ontvangen en naar afzonderlijke delen van een uittreedvenster 55 te geleiden.In accordance with the invention, the reflector surface of the reflector 30 comprises a number of separate segments 31..34, each of which converges a part of the sunlight beam captured thereby to its own focal point and thereby concentrates in a more limited target surface 41..44, see also Figure 3. To this end, the segments are each parabolic curved with mutually parallel parabolic main axes, which are adjusted to the inclination under which the sunlight beam will dodge from the lens. The optical system of the device comprises, in addition to the primary lens 20 and the concentrator means 30, also secondary optical means 50, see also Fig. 2, and is thus able to receive the sunlight near each of the focal points 41..44 and to separate parts of to guide an exit window 55.

De secundaire optische middelen omvatten in dit voorbeeld een unitair optisch lichaam 50 van glas of een ander geschikt transparante materiaal, dat aan een intreedzijde een aantal optische intreedvensters 51.54 omvat, één voor elk van de brandpunten/doeloppervlakken 41..44 van de spiegel 30, en aan een tegenoverliggende zijde eindigt in het uittreedvenster 55. Het secundaire lichaam 50 is daarbij zodanig gedimensioneerd en geplaatst dat de intreedvensters elk juist voor het betreffende brandpunt van het spiegel 30 liggen opdat reeds een zekere energetische spreiding over het oppervlak van het intreedvenster 51.54 te bereiken en opdat eventueel uit het betreffende deel van de component 50 ontsnappend zonlicht rechtstreeks door het uittreedvenster 55 zal worden ontvangen.The secondary optical means in this example comprise a unitary optical body 50 of glass or another suitable transparent material, which comprises on a entry side a number of optical entry windows 51.54, one for each of the focal points / target surfaces 41..44 of the mirror 30, and terminates on an opposite side in the exit window 55. The secondary body 50 is thereby dimensioned and positioned such that the entry windows are each just in front of the relevant focal point of the mirror 30 so that a certain energetic spread over the surface of the entry window 51.54 can already be achieved and so that any sunlight escaping from the relevant part of the component 50 will be received directly through the exit window 55.

Tussen elk intreedvenster 51..54 en het uittreedvenster 55 omvat het glaslichaam 50 een conisch deellichaam 61..64, waarvan een conische as 65 onder een zekere inclinatiehoek β met het uittreedvenster 55 is gericht, die bij het ene paar deellichamen 61..64 circa 60 graden bedraagt en bij het andere paar 61..64 op circa 70 graden ligt. Deze hoek is zodanig gekozen dat het invallende zonlicht optimaal wordt ingevangen en hoofdzakelijk door interne reflectie aan de wanden van de deellichamen 61..64 vrijwel volledig naar een eigen gebied in het uittreedvenster 55 wordt geleid. De afzonderlijke conische assen 65 zijn onderling onder een booghoek van circa 90 graden ten opzichte van elkaar vanuit het uittreedvenster 55 gericht.Between each entrance window 51.54 and the exit window 55, the glass body 50 comprises a conical sub-body 61..64, a conical axis 65 of which is directed at a certain inclination angle β to the exit window 55, which is mounted at one pair of sub-bodies 61..64 is approximately 60 degrees and for the other pair is 61..64 at approximately 70 degrees. This angle is chosen such that the incident sunlight is optimally captured and is guided almost entirely to its own area in the exit window 55 through internal reflection on the walls of the sub-bodies 61..64. The individual conical shafts 65 are mutually directed from the exit window 55 at an arc angle of approximately 90 degrees relative to each other.

Ter hoogte van het uittreedvenster 55 zijn de conische deellichamen ter vorming van het uittreedvenster afgeschuind om hier een vlak te vormen waarop helio-energetische omvormmiddelen 70 met het actieve oppervlak daarvan zijn gemonteerd. De omvormmiddelen omvatten in dit voorbeeld een fotovoltaïsche halfgeleidercel waarvan een optisch actief oppervlak aldus samenvalt met het uittreedvenster 55. In plaats van een enkele halfgeleidercel 70 kan overigens ook de toevlucht worden genomen tot een al of niet aaneengesloten stelsel van afzonderlijke cellen. Omdat de segmenten 31..34 van de concentratormiddelen onder verschillende hoeken naar de omvormmiddelen zijn gericht, zijn twee van de intreedvensters 51..54 onder circa 20 graden en de andere twee intreedvensters 51..54 onder circa 30 graden ten opzichte van de omvormmiddelen georiënteerd. Hierdoor wordt een reflectie aan het intreedvenster tegen gegaan, die anders een nadelig effect op het rendement van de inrichting zou hebben.At the exit window 55, the conical sub-bodies are chamfered to form the exit window to form here a surface on which heli-energetic converting means 70 with their active surface are mounted. In this example, the converting means comprise a photovoltaic semiconductor cell, an optically active surface of which thus coincides with the exit window 55. Instead of a single semiconductor cell 70, it is also possible to resort to a contiguous or non-contiguous system of individual cells. Because the segments 31, 34 of the concentrator means are directed at different angles towards the transducer means, two of the entry windows 51.54 are at approximately 20 degrees and the other two entry windows 51.54 are at approximately 30 degrees with respect to the transducer means oriented. This prevents a reflection at the entrance window, which would otherwise have an adverse effect on the efficiency of the device.

In het onderhavige voorbeeld omvatten de omvormmiddelen meer bepaald een weliswaar relatief kostbare, maar energetisch uitermate efficiënte III-V halfgeleidercel 70. Dit lichaam omvat in dit voorbeeld een circa 200 micron dik germanium substraat met daarop achtereenvolgens een tweetal gedoopte halfgeleiderlagen, respectievelijk uit galium-arsenide (GaAs) en indium-galium-phosphide (InGaP) met een dikte van circa 2 micron en 0,5 micron. Deze lagen zijn in staat om onderscheiden delen van het zonlichtspectrum uitermate efficiënt in elektriciteit om te zetten. De gemeenschappelijke opbrengst van de lagen wordt aan een gemeenschappelijke uitgang van de cel in de vorm van elektriciteit aangeboden.In the present example, the converting means comprise in particular a relatively costly, but energetically highly efficient III-V semiconductor cell 70. In this example, this body comprises an approximately 200 micron thick germanium substrate with successively two dipped semiconductor layers, respectively from galium-arsenide (GaAs) and indium-galium-phosphide (InGaP) with a thickness of approximately 2 microns and 0.5 microns. These layers are capable of converting various parts of the sunlight spectrum into electricity extremely efficiently. The common yield of the layers is presented to a common output of the cell in the form of electricity.

Het secundaire optische lichaam 50 en de omvormmiddelen 70 maken tezamen met een niet nader getoonde waterkoeling deel uit van een samenhangende foto-voltaïsche conversie-eenheid 80 die als afzonderlijk samenstel (sub-assembly) relatief centraal ten opzichte van de reflector is gepositioneerd. De conversie-eenheid 80 hangt daartoe aan een verbindingsarm 85 die bij voorkeur aan een schaduwzijde uitgaat van de behuizing 10 om zo een slagschaduw en een verminderde opbrengst als gevolg daarvan tegen te gaan. Warmte die door de waterkoeling wordt opgenomen kan via een geschikte warmtewisselaar eveneens als nuttige energie worden afgenomen en draagt zo bij aan een verdere verhoging van het nuttige rendement van de inrichting als geheel.The secondary optical body 50 and the converting means 70, together with a water cooling (not shown), form part of a coherent photovoltaic conversion unit 80 which is positioned as a separate assembly (sub-assembly) relatively centrally with respect to the reflector. To this end, the conversion unit 80 is suspended from a connecting arm 85 which preferably emanates from the housing 10 on a shadow side so as to prevent a drop shadow and a reduced yield as a result thereof. Heat absorbed by water cooling can also be taken as useful energy via a suitable heat exchanger and thus contributes to a further increase in the useful efficiency of the device as a whole.

De prismatische lens 20 breekt het zonlicht dat als een min of meer evenwijdige bundel daarop invalt en werpt het onder een hoek op de parabolische spiegel 30. Deze inclinatiehoek kan door een rotatie van de lens 20 worden ingesteld en hangt daarbij af van een intreedhoek van het zonlicht die door de dag en het j aar heen varieert en bovendien afhankelijk is van een specifieke locatie van de inrichting op aarde. De niet nader getoonde aritmetische inrichting die aan de inrichting is gekoppeld, is in staat op rekening houdend met deze parameters een adequate rotatie van de lens te berekenen opdat de uittredende bundel eenzelfde inclinatie heeft als de parallelle optische hoofdassen van de segmenten 31..34 van de spiegel 30.The prismatic lens 20 breaks the sunlight that falls on it as a more or less parallel beam and throws it at an angle on the parabolic mirror 30. This inclination angle can be adjusted by a rotation of the lens 20 and thereby depends on an entrance angle of the sunlight that varies throughout the day and year and, furthermore, depends on a specific location of the establishment on earth. The arithmetic device (not shown in more detail) which is coupled to the device is capable of calculating an adequate rotation of the lens taking into account these parameters so that the emerging beam has the same inclination as the parallel optical main axes of the segments 31 ... 34 of the mirror 30.

Daarnaast berekent de aritmetische eenheid van de inrichting een adequate rotatie van de spiegel 30 om de rotatieas 35 daarvan om de optische hoofdassen van de spiegel in de bundel te richten opdat al het zonlicht in de brandpunten 41..44 van de segmenten zal worden gefocusseerd. De getoonde inrichting is in staat om het zonlicht aldus van de orde van 870 maal te concentreren van het intreedvenster 20, dat een oppervlak heeft van de orde van circa 2000 vierkante centimeter, naar een uiteindelijk oppervlak 55,70 van de orde van slechts 2,25 vierkante.In addition, the arithmetic unit of the device calculates adequate rotation of the mirror 30 about its axis of rotation 35 to direct the main optical axes of the mirror into the beam so that all the sunlight will be focused at the focal points 41.44 of the segments. The device shown is thus able to concentrate the sunlight of the order of 870 times from the entrance window 20, which has a surface of the order of approximately 2000 square centimeters, to a final surface 55.70 of the order of only 2, 25 square.

Doordat het zonlicht niet werkelijk als een strikt evenwijdige bundel op de lens 20 intreedt maar een zekere deviatie van de orde van enkele tienden tot een graad zal kennen, is er sprake van een zekere plaatsingsfout in het optische stelsel die door de opdeling van de spiegel 30 in afzonderlijke segmenten 31..34 reeds voor een deel wordt opgevangen als eerste efficiency verbetering van de inrichting.Because the sunlight does not actually enter the lens 20 as a strictly parallel beam, but will experience a certain deviation of the order of a few tenths to a degree, there is a certain placement error in the optical system which is due to the division of the mirror 30 in individual segments 31..34 is already partially absorbed as the first efficiency improvement of the device.

Het secundaire optische lichaam 50 heeft voor elk van de spiegelsegmenten 31..34 een intreedvenster 51..54, zie ook figuur 2. De inrichting is zodanig uitgericht dat de brandpunten 41..44 van de segmenten juist binnen het secundaire optische lichaam 50 liggen, dat wil zeggen juist achter de intreedvensters 51..54, zie figuur 3. Dit leidt tot een gewenste spreiding van het zonlicht over het betreffende intreedvenster 51..54 en daarmee tot een energetische spreiding over het actieve oppervlak van de foto-voltaïsche cel 70. Ook dit komt het rendement en bovendien de levensduur van de cel 70 ten goede.The secondary optical body 50 has an entry window 51.54 for each of the mirror segments 31..34, see also Figure 2. The device is oriented such that the focal points 41..44 of the segments lie precisely within the secondary optical body 50 , i.e. just behind the entrance windows 51..54, see figure 3. This leads to a desired spread of the sunlight over the relevant entrance window 51..54 and thus to an energetic spread over the active surface of the photovoltaic cell 70. This also benefits the efficiency and, moreover, the service life of the cell 70.

Al met al worden de door de afzonderlijke spiegelsegmenten 31..34 ingevangen delen van het op de lens 20 intredende zonlicht geconcentreerd op de daarvoor geboden, afzonderlijke intreedvensters 51..54 van het secundaire optische lichaam 50. Via de daarin gevormde conische deellichamen 61..64 wordt het zonlicht vervolgens door het secundaire optische lichaam 50 naar afzonderlijke deelgebieden van het actieve oppervlak van de omvormmiddelen 70 geleid. Deze conische deellichamen 61..64 zijn als een geheel met elkaar in een glaslichaam 50 gevormd rondom een conische as 65 met een denkbeeldige tophoek α van circa 20 tot 30 graden. De conische as 65 van elk van de segmenten 61..64 staat telkens onder een inclinatie β die varieert tussen 60 en 70 graden ten opzichte het actieve oppervlak van de omvormmiddelen 70. In dit voorbeeld bedraagt deze hoek β circa 65 graden. Ter hoogte van de omvormmiddelen 70 zijn de conische deellichamen 61..64 afgeschuind, waardoor hier een optisch uittreedvenster 55 wordt gevormd van althans nagenoeg aaneengesloten doorsneden van de afzonderlijke deellichamen 61..64.All in all, the parts of the sunlight entering the lens 20 captured by the individual mirror segments 31, 34 are concentrated on the individual entrance windows 51, 54 of the secondary optical body 50 provided for this purpose. Via the conical sub-bodies 61 formed therein. 64, the sunlight is then directed through the secondary optical body 50 to separate sub-regions of the active surface of the conversion means 70. These conical sub-bodies 61..64 are integrally formed together in a glass body 50 around a conical axis 65 with an imaginary apex angle α of approximately 20 to 30 degrees. The conical axis 65 of each of the segments 61..64 is in each case under an inclination β which varies between 60 and 70 degrees with respect to the active surface of the converting means 70. In this example, this angle β is approximately 65 degrees. The conical sub-bodies 61..64 are chamfered at the level of the converting means 70, so that here an optical exit window 55 is formed of at least substantially contiguous sections of the individual sub-bodies 61..64.

De omvormmiddelen 70 zijn vervolgens in staat om fotonen energie uit het zonlicht op te nemen en in een andere, nuttige vorm aan te bieden. In dit voorbeeld waarbij de omvormmiddelen 70 een foto-voltaïsche cel omvatten gaat het in dit kader om elektriciteit die als zodanig uit het zonlicht wordt gewonnen naast warmte die door een koelcircuit van de cel 70 wordt afgenomen en als zodanig kan worden hergebruikt om omgezet.The converting means 70 is then capable of taking photons of energy out of the sunlight and offering them in a different, useful form. In this example in which the converting means 70 comprise a photovoltaic cell, in this context, electricity that as such is recovered from the sunlight in addition to heat taken from the cell 70 by a cooling circuit and which can be reused as such is converted.

Voor een adequate koeling is de cel 70 daartoe op een thermisch goed geleidend koellichaam 90 gemonteerd. Een metaallichaam van bijvoorbeeld koper of aluminium is in dat kader bij uitstek geschikt als koellichaam 90. Hierin zijn kanalen voor circulatie van een geschikte koelvloeistof, zoals water of olie, van het koelsysteem voorzien. Het koellichaam 90 is daarbij relatief omvangrijk uitgevoerd en biedt daarmee een grote warmtecapaciteit die in de zonnecel 70 gedissipeerde warmte bijzonder snel en effectief kan wegleiden. Niet alleen kan aldus oververhitting en daarmee schade aan de zonnecel worden tegengegaan, maar bovendien kan deze warmte als additionele nuttige energetische opbrengst van de inrichting worden afgenomen.For adequate cooling, the cell 70 is mounted for this purpose on a thermally conductive cooling body 90. In that context, a metal body of, for example, copper or aluminum is eminently suitable as a cooling body 90. In it, channels for circulation of a suitable cooling liquid, such as water or oil, are provided with the cooling system. The cooling body 90 is thereby designed to be relatively bulky and thus offers a large heat capacity that can dissipate heat dissipated in the solar cell 70 particularly quickly and effectively. Not only can overheating and thus damage to the solar cell be prevented, but moreover this heat can be taken from the device as an additional useful energy yield.

Een validatie van het optische systeem door middel van ray-tracing simulaties en de optische prestaties is grondig onderzocht in termen van optische efficiëntie, spectrale gevoeligheid, hoektolerantie en ruimtelijke stralingsverdeling op de cel 70. Deze simulaties werden uitgevoerd met behulp van Monte Carlo ray tracing modellen en software. In eerste instantie zijn de optische prestaties van de inrichting onder optimale on-axis condities onderzocht, dat wil zeggen uitgaande van een invallende lichtbundel onder een hoek van 60 ° uit het vlak van de prismatische lens 20. Typische optische brekingsindices c.q. reflectie-eigenschappen zijn daarbij aangenomen voor de kunststof (PMMA) van de lens 20, het reflectieoppervlak (aluminium of zilver) van de spiegel 30 en het glas (BK7) van de secundaire optische component 50. Lichtstralen worden verondersteld een brede AM1.5D spectrale verdeling te hebben. Stralingkaarten voor dit specifieke voorbeeld zijn weergegeven in figuur 4 en 5 op respectievelijk de intreedvensters 51..54 van de secundaire optische component 50 en het uiteindelijke uittreedvenster 55 dat samenvalt met het optische actieve oppervlak 70 van de cel.A validation of the optical system by means of ray-tracing simulations and the optical performance has been thoroughly investigated in terms of optical efficiency, spectral sensitivity, angular tolerance and spatial radiation distribution on the cell 70. These simulations were performed using Monte Carlo ray tracing models and software. In the first instance, the optical performance of the device was investigated under optimum on-axis conditions, that is to say starting from an incident light beam at an angle of 60 ° from the plane of the prismatic lens 20. Typical optical refractive indices or reflection properties are thereby assumed for the plastic (PMMA) of the lens 20, the reflection surface (aluminum or silver) of the mirror 30 and the glass (BK7) of the secondary optical component 50. Light rays are assumed to have a broad AM1.5D spectral distribution. Radiation maps for this specific example are shown in Figures 4 and 5 on the entry windows 51.54 of the secondary optical component 50 and the final exit window 55, respectively, which coincide with the optically active surface 70 of the cell.

Daaruit blijkt dat elk van de vier segmenten 31..34 van de spiegel 30 de daarop vallend straling ruimschoots binnen de omtrek van de daarmee corresponderende intreedvensters concentreren en daarbij bovendien een hoge mate homogene verdeling over de intreedvensters van de secundaire optische eenheid te zien geven, met een totaal stralingsvermogen variërend van 28,9 Watt voor het minst aangestraalde venster tot 30,7 Watt voor het maximum, zie figuur 4. Dit vertaalt zich direct naar een bijzonder homogene energiedistributie over het actieve oppervlak van de omvormmiddelen 70, zoals te zien is in figuur 5. De straling van elk van de intreedvensters 51..54 blijkt vrijwel hoofdzakelijk te zijn afgebeeld op een eigen kwadrant in het uittreedvenster 55 en vallen daarbij over elkaar heen, zodat een homogene verdeling over het venster wordt verkregen. Uit de berekeningen volgt ruwweg een ratio 3:1 tussen een piek vermogen en gemiddeld vermogen over dit oppervlak.From this it appears that each of the four segments 31, 34 of the mirror 30 concentrates the radiation falling thereon well within the circumference of the corresponding entry windows and, moreover, shows a highly homogeneous distribution over the entry windows of the secondary optical unit, with a total radiation power ranging from 28.9 Watt for the least-irradiated window to 30.7 Watt for the maximum, see figure 4. This translates directly into a particularly homogeneous energy distribution over the active surface of the converting means 70, as can be seen in Figure 5. The radiation from each of the entry windows 51, 54 appears to be substantially predominantly imaged on its own quadrant in the exit window 55 and thereby fall over each other, so that a homogeneous distribution over the window is obtained. The calculations roughly follow a ratio 3: 1 between a peak power and average power over this surface.

Dit simulatie onderzoek is herhaald voor de 90 0 en 70 0 hellingshoeken waaronder de zon invalt en levert dan eenzelfde beeld op, waarbij een veranderende zonnestand is gesimuleerd het hele j aar door met het oog op een raming van een gemiddelde opbrengst en efficiëntie van de inrichting over de tijd. Bovendien is het effect van eventuele rotatiefouten van de spiegel geëvalueerd. Bij een 90 0 gekantelde inrichting is aldus vastgesteld dat een rotatiefout is toegelaten van plus/min 1 graad indien een vermogensverlies van maximaal 10% kan worden getolereerd.This simulation study has been repeated for the 90 0 and 70 0 inclination angles at which the sun falls and yields the same image, whereby a changing position of the sun is simulated throughout the year for the purpose of estimating an average yield and efficiency of the device. Over time. In addition, the effect of any rotational errors of the mirror has been evaluated. With a device tilted 90 ° it is thus established that a rotation error of plus / minus 1 degree is permitted if a power loss of at most 10% can be tolerated.

Het systeem maakt gebruik van een III-V halfgeleidercel 70 met een meervoudige pn-overgang, een zogenaamde multi-junction cell, voor wat betreft de conversiemiddelen. De afzonderlijke overgangen zijn daarin afgestemd op verschillende delen van het spectrum om dit zo efficiënt mogelijk te benutten. Dit zou kunnen leiden tot een effect op een resulterende foto-voltaïsche fluxverdeling over het oppervlak van de cel als gevolg van een zekere spectrale spreiding in de straling die door de optica aan ieder deellichaam 61..64 wordt geleverd. Om een eventuele vermogensverliezen als gevolg van een dergelijke onregelmatigheden in de stroomdistributie over het oppervlak 70 op te sporen, zijn ook daarvoor simulaties uitgevoerd. Het resultaat daarvan is weergegeven in figuur 6. Daaruit is te zien dat een current-mismatch ruwweg tot binnen een factor 3 beperkt blijft. Een vermogensopbouw is aldus relatief homogeen over het oppervlak gespreid waardoor vermogensverliezen als gevolg van zijdelingse dissipatie en daarmee samenhangende serieweerstanden beperkt zullen blijven.The system uses a III-V semiconductor cell 70 with a multiple pn junction, a so-called multi-junction cell, as regards the conversion means. The individual transitions are aligned with different parts of the spectrum to use this as efficiently as possible. This could lead to an effect on a resulting photovoltaic flux distribution over the surface of the cell due to a certain spectral spread in the radiation that is delivered to each sub-body 61..64 by the optics. In order to detect any power losses due to such irregularities in the current distribution over the surface 70, simulations have also been carried out for this. The result is shown in Figure 6. It can be seen that a current mismatch remains roughly limited to a factor of 3. A power build-up is thus relatively homogeneously spread over the surface, as a result of which power losses due to lateral dissipation and associated series resistances will remain limited.

Hoewel de uitvinding aan de hand van louter een enkel uitvoeringsvoorbeeld nader werd toegelicht moge het duidelijk zijn dat de uitvinding daartoe geenszins is beperkt.Although the invention has been further elucidated on the basis of only a single exemplary embodiment, it will be apparent that the invention is by no means limited thereto.

Integendeel zijn binnen het kader van de uitvinding voor een gemiddelde vakman nog vele variaties en verschijningsvormen mogelijk.On the contrary, many variations and manifestations are still possible for the average person skilled in the art within the scope of the invention.

Claims

A helio-energetic transducer device for extracting energy from sunlight, comprising a housing with an entrance window for capturing sunlight and with transducer means capable and adapted to extract energy from sunlight and to release it in a modified form, wherein an optical system is provided between the entrance window and the converting means, comprising refraction means which are capable and adapted to receive a light beam on an entrance side at a first angle and to have it escape at a exit side at a second angle, and comprising concentrator means which is capable of and arranged to receive sunlight from the refraction means in a first surface and to concentrate in a target surface of a smaller size than the first surface, characterized in that the first surface is divided into a number of separate segments, each of which is a part of one of capture the beam of light avoiding the refraction means and into a da with a corresponding target surface of a smaller size, and that the optical system is capable and adapted to image the individual target surfaces of the individual segments in separate sub-regions of an optically active surface of the converting means.

2. Converting device as claimed in claim 1, characterized in that the concentrator means comprise reflection means with a multiple reflection surface of a number of at least substantially contiguous at least substantially parabolic curved segments with mutually at least substantially parallel optical main axes along which the incoming light beam is received and with mutually separate focal points to which a part of the light beam captured by a segment is converged.

3. Converting device as claimed in claim 2, characterized in that the reflection surface is composed of four at least substantially contiguous segments which are arranged according to quadrants approximately around the active surface of the converting means.

Concentrator unit according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the refraction means comprise a prismatic lens with a stepped sawtooth profile on a first main surface thereof and a planar structure on an opposite second main surface, in particular a Fresnel lens.

5. Converting device as claimed in one or more of the foregoing claims, characterized in that the refraction means in the housing are rotatable about a first axis of rotation and are coupled to first displacement means to impose a rotation thereon about the first axis of rotation, that the concentrator means are rotatable in the housing are about a second axis of rotation, whether or not coinciding with the first axis of rotation, and are coupled to second displacement means to impose a rotation thereon about the second axis of rotation, and that the first and second displacement means are coupled to control means which, at least during operation, driving the displacement means to direct the refraction means and the concentrator means relative to each other and relative to the sun, depending on a current position of the sun in the sky, by rotating at least one of the refraction means and the concentrator means around the first rotation axis and the second rotation axis.

6. Converting device as claimed in one or more of the foregoing claims, characterized in that secondary optical means are provided between the individual target surfaces of the segments and the active surface of the converting means, in order to capture a sub-beam evading a segment at a target surface thereof. and at least almost completely image of the active surface in its own sub-area.

7. Converting device as claimed in claim 6, characterized in that the secondary optical means for each segment comprise an optical entry window which is situated in an optical path just before the focal point of the relevant segment.

8. Converting device according to claim 7, characterized in that the secondary optical means are combined in a common secondary optical component, which in particular comprises a common monolithic secondary optical glass body.

9. Converting device as claimed in claim 8, characterized in that the secondary optical unit for each segment between the entrance window and a common exit window comprises a chamfered according to the exit window but otherwise at least substantially conical body, wherein individual axes of the individual conical bodies with an exit window Embed the same inclination angle and intersect at a common imaginary apex beyond the exit window.

10. Converting device as claimed in claim 9, characterized in that the inclination angle is between 60 and 70 degrees and in particular is approximately 65 degrees.

11. Converting device as claimed in claim 8, 9 or 10, characterized in that the secondary optical unit together with the converting means are suspended at a fixed position at least substantially in an imaginary central perpendicular plane with respect to the segments of the concentrator means, wherein the entry windows of the secondary optical unit are at least substantially at the level of the focal points of the segments, in particular a little central therefor.

12. Converting device as claimed in claim 11, characterized in that the secondary optical unit and the converting means start from a connecting arm which extends at least substantially unilaterally from the housing, in particular on a north side.

13. Converting device as claimed in one or more of the foregoing claims, characterized in that the converting means comprise at least one photovoltaic cell body, in particular a photovoltaic cell body comprising a III-V semiconductor layer, more in particular a galium arsenide (GaAs) layer and / or an indium-galium-phosphide (InGaP) layer.

A heli-energetic installation comprising a series of mutually connected converters according to one or more of the preceding claims with control means common to at least a number of the series of converters and an energetic output shared by at least a number of the series of converters.