NL2013254B1 - Helio-energetische omvorminrichting en installatie. - Google Patents

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.

Description

Helio-energetische omvorminrichting en installatie

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Integendeel zijn binnen het kader van de uitvinding voor een gemiddelde vakman nog vele variaties en verschijningsvormen mogelijk.

Claims (14)

1. 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, met het 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.

2. Omvorminrichting volgens conclusie 1 met het 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.

3. Omvorminrichting volgens conclusie 2 met het 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.

4. Concentrator-eenheid volgens conclusie 1, 2 of 3 met het kenmerk dat 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.

5. Omvorminrichting volgens één of meer der voorgaande conclusies met het 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.

6. Omvorminrichting volgens één of meer der voorgaande conclusies met het kenmerk dat secundaire optische middelen zijn voorzien tussen de afzonderlijke doeloppervlakken van de segmenten en het actieve oppervlak van de omvormmiddelen, om een van een segment ontwijkende deelbundel ter hoogte van een doeloppervlak daarvan in te vangen en althans nagenoeg volledig in een eigen deelgebied van het actieve oppervlak af te beelden.

7. Omvorminrichting volgens conclusie 6 met het 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.

8. Omvorminrichting volgens conclusie 7 met kenmerk dat de secundaire optische middelen zijn samengevoegd in een gemeenschappelijke secundaire optische component, welke in het bijzonder een gemeenschappelijk monolithisch secundair optisch glaslichaam omvat.

9. Omvorminrichting volgens conclusie 8 met het kenmerk dat 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 nagenoeg gelijke inclinatiehoek insluiten en elkaar in een gemeenschappelijke denkbeeldige tophoek voorbij het uittreedvenster snijden.

10. Omvorminrichting volgens conclusie 9 met het kenmerk dat de inclinatiehoek tussen 60 en 70 graden ligt en in het bijzonder circa 65 graden bedraagt.

11. Omvorminrichting volgens conclusie 8, 9 of 10 met het kenmerk dat 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 secundaire optische eenheid althans nagenoeg ter hoogte van de brandpunten van de segmenten zijn gelegen, in het bijzonder een weinig centraal daarvoor.

12. Omvorminrichting volgens conclusie 11 met het kenmerk dat de secundaire optische eenheid en de omvormmiddelen uitgaan van een verbindingsarm die althans nagenoeg eenzijdig van de behuizing uitgaat, in het bijzonder aan een noordzijde.

13. Omvorminrichting volgens één of meer der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de omvormmiddelen ten minste één fotovoltaïsch cellichaam omvatten, in het bijzonder een fotovoltaïsch cellichaam omvattende een III-V halfgeleiderlaag, meer in het bijzonder een galium-arsenide (GaAs) laag en/of een indium-galium-phosphide (InGaP) laag.

14. Helio-energetische installatie omvattende een reeks in onderling verband gekoppelde omvorminrichtingen volgens één of meer der voorgaande conclusies met voor althans een aantal van de reeks omvorminrichtingen gemeenschappelijke besturingsmiddelen en een door althans een aantal van de reeks omvorminrichtingen gedeelde energetische uitgang.