WO2010122008A2 - Optische einrichtung zum beugen eines strahlenbündels sowie ein verfahren zur beugung eines strahlenbündels - Google Patents

Optische einrichtung zum beugen eines strahlenbündels sowie ein verfahren zur beugung eines strahlenbündels Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an optical device for diffracting a beam and a method for diffracting a beam.
  • Solar technology is the direct conversion of radiant energy of the sun (or solar energy) into usable forms of energy.
  • the spectrum of solar technology is divided into different subareas, which is distinguished by whether from the solar radiation heat or electrical energy is obtained.
  • the help of solar collectors in a solar system is a heat transfer medium such.
  • water is heated by the solar energy and provided to the user in the form of hot water or supplied to an energy conversion to usable power.
  • the radiation energy of the sun is converted directly via the solar cells into electrical energy, which is available to the user as solar power.
  • Fresnel lenses have a low stability, which leads to an unwanted beam deflection due to the tolerances between the target and the actual angle. Especially by external influences, such. As wind, hail or expansion due to heat, but also by the weight of the optical device deflection inaccuracies are increased such that jets no longer hit the energy converter.
  • a stiffening by means of various attachment variants stabilizes or amplifies the optical device. However, these stabilizations in the form of holding elements produce a lower efficiency, since the optical effective areas are reduced by them and additional shadow areas arise.
  • a reinforcement the Fresnel lens by means of a thicker cross section or a support surface made of glass leads to further transmission losses.
  • a method for low-reflection bowing of a beam is to be provided.
  • an optical device preferably a tracking solar system for diffracting a beam of a direct radiation source or a radiation transmitter on an energy converter, at least two series-connected diffraction elements, wherein the diffraction elements mounted at a distance form an integrally formed optical device.
  • This structure allows a particularly high torsional rigidity, since the circumference and the cross-sectional area increases with low weight of the optical device.
  • two diffraction elements arranged one behind the other permit diffraction with less reflection losses, since the total diffraction of the beam impinging on the optical device, which is necessary for acting on the energy converter, is distributed over two smaller diffractions at each of the two diffraction elements. The resulting smaller angle of incidence ⁇ on the diffraction surface lead to a lower reflection.
  • a particularly accurate diffraction at the diffraction surface of the diffraction element arises when this is formed from a beam deflection device. This divides the surface of the optical device, which is exposed to the sun's rays, into separate sections which allow individual beam deflection as a function of the desired diffraction angle. The beam paths can thus be scattered, deflected parallel to each other or focused.
  • the beam deflection device consists of a Fresnel Build prism or Fresnel lens structure. These preferably formed of prisms in series diverters allow precise diffraction of the beam in a very small space.
  • the diffraction elements can each carry two beam deflection devices at the top and at the bottom.
  • a particularly simple embodiment of the optical device provides for arranging the diffraction elements such that the diffraction surface facing the sun has a beam deflection device on the underside and the diffraction surface arranged below in the beam path has a beam deflection device on the upper side.
  • an embodiment of the optical device provides for providing the active surfaces with a protective surface.
  • a protective surface which is preferably formed of glass, the prisms are protected from dirt, damage, but also from UV exposure and aging processes.
  • These protective surfaces can be arranged on one side of the diffraction elements, but also on both sides, in the manner of a sandwich.
  • a particularly effective optical device is created when the two diffraction elements are arranged at an angle [A] to each other.
  • the diffraction element arranged below in the beam path has an angle relative to the upper diffraction element, so that the angle of incidence in the beam path towards the solder becomes smaller and a lower reflection occurs.
  • a further embodiment of the optical device provides to form the diffraction elements arcuate, so that the optical device has an arcuate cross-section.
  • This arc which is preferably convex toward the radiation source, permits individual diffraction of the beam path onto an energy converter.
  • the optical device extends with its components perpendicular to the cross-sectional area and thus forms a linear course in the direction of extension to Aniaa- ge, a particularly simple production of the optical device from Rollformoder Extruderieri is possible.
  • At least one connecting element is located between the diffractive elements, it is possible to create the optical device from interconnected individual elements which form an integral cross-sectional area.
  • These fasteners provide a dense and positive transition between the upper and the lower diffraction element, so that a substantially closed hollow body profile is formed.
  • a particularly effective optical device is created when the connecting elements are outside the beam path and thus cause no shading on the energy converter.
  • the connecting element extends continuously linearly between the two diffraction elements, it seals the resulting hollow body against penetrating impurities on the longitudinal sides and stabilizes in conjunction with an additionally possible frontal attachment of a connecting element to form a closed body, which forms a protected from external influences optical device , wherein the connecting element is always adapted to the resulting distance between the two diffraction elements.
  • a holding region is provided on the optical device, which allows the simplest possible attachment. If this holding region is arranged outside the bundle of rays to be diffracted, then there is no shadowing on the energy converter, which contributes to a higher overall efficiency of the solar system.
  • the method according to the invention for diffracting a beam allows a diffraction of the beam at an optical device, wherein the beam path thereby undergoes at least a first and a second bending process.
  • This division of a total diffraction of the beam on several bending operations allows smaller angles of incidence ⁇ , resulting in lower reflections.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view of an optical device based on the prior art
  • FIG. 2 shows a side view of a solar system with an optical device according to the invention
  • FIG. 4 is a perspective view of an optical device with another example of a holding portion.
  • FIG. 1 shows the prior art mentioned in the introduction, in which the total diffraction of the beam at a diffraction surface is achieved.
  • optical device in this solar system is chosen by way of example and does not limit the optical device in different variants of solar systems.
  • FIG. 2 The cross-section of an exemplary solar system with an optical device 1 according to the invention shown in FIG. 2 shows a plurality of energy converter arrangements 2 consisting of a holding element 4, an energy converter 6 and the optical device 1 comprising a first diffraction element 8 and a second diffraction element 9.
  • the holding element 4 connects the components of the energy converter assembly 2 in the way that the optical device is rigidly connected to the energy converter 6 via the holding element 4, whereby a common pivoting (azimuth tracking) of the components of the energy converter order 2 is possible at least about a common pivot point D.
  • an elevation tracking can also be provided.
  • the beam path is such that the light beams incident perpendicular to the orientation of the energy converter 6 are diffracted by the optical device 1 and directed to the energy converter of the adjacent energy converter arrangement.
  • the holding element 4 may be mirrored, so that the incident solar radiation is also directed to the energy converter 6.
  • the energy converter 6 directly incident sunlight.
  • This rotational movement makes it possible for the solar installation to track the energy conversion arrangement 2 uniaxially in relation to the time of day in the manner of the sun, so that the energy converter 6 is always exposed to a maximum of solar radiation.
  • the sun rays striking the surface of the optical device 1 are diffracted substantially parallel to the energy converter 6, in which the solar rays are diffracted by a total diffraction angle at the optical device 1, so that the surface of the energy converter 6 is subjected to a maximum of solar radiation to enable a more efficient generation of energy.
  • a plurality of energy converter assemblies 2 mounted parallel to each other in the series are mounted on a substructure 10 of a grid of cross members 12.
  • the substructure 10 forms together with the frame 14 the Aufstän- tion, wherein the mounted energy converter assemblies 2 are tracked on the substructure 10 by means of a tracking 16 the sun.
  • the photovoltaic system can be fixed on a foundation 18.
  • FIG 3 shows the cross section of a preferred variant of the optical device, consisting of the first diffraction element 8, the second diffraction element 9 and connecting elements 10.
  • the first diffraction element 8 is arranged closer to the radiation source in the beam path, so that through the first diffraction element 8 therethrough the beam path is directed to the second diffraction element 9.
  • the connecting elements 10 are arranged in the manner between the diffraction elements 8, 9, that they form a one-piece optical device 1.
  • the embodiment of an optical device 1 shown in FIG. 3 discloses diffraction elements 8, 9 whose surfaces are differently pronounced.
  • the one surface has a substantially smooth surface structure, whereas the second surface carries a beam deflection device in the form of prisms.
  • the resulting Fresnel lens allows diffractions that redirect, focus or scatter the beam path 20 in parallel.
  • the diffraction elements 8, 9 shown here can also carry beam deflection devices on both surfaces or can bend with beam deflection devices differing from one another.
  • a different embodiment of the first diffraction element 8 to the second diffraction element 9 is possible, so that, for example, the first diffraction element 8, in contrast to the second diffraction element 9 carries no beam deflecting device.
  • the diffraction elements 8, 9 not shown protective elements which protect the surface structure of the diffraction elements 8, 9 from contamination or environmental influences have. It is also possible to equip at least one outer surface of the optical device with a self-cleaning surface structure with a so-called "lotus effect", so that separate protective elements can be dispensed with.
  • a beam 20 striking the optical device 1 substantially parallel is shown in FIG.
  • the energy converter assembly 2, which is designed with the aim of directing a maximum of radiation energy to the energy converter 6, is tracked to the sun, wherein the optical device 1 is inclined in such a way that the beam path 20 precisely in a predetermined manner on the Energy converter 6 hits.
  • the necessary for this total diffraction is distributed in the embodiment shown here of the optical device 1 to at least two diffractions.
  • the diffracted by the optical device 1 to the energy converter 6 beam path is dependent on the nature of the diffraction elements 8, 9.
  • a special The preferred embodiment of the diffraction composition is shown in FIG.
  • the total diffraction angle necessary for maximizing the energy of the solar system results from several diffractions occurring one behind the other. These can arise from different diffraction types and / or different optics.
  • the first optical device consists of a Fresnel lens whose prisms are arranged in the beam path down and a second diffraction element 9 from a Fresnel lens whose prisms in the beam path point to the top.
  • the surface facing away from the prisms of the optical devices 8, 9, have a substantially smooth surface structure.
  • the beam path generally following the Snellius laws of refraction. If the surface of the first diffraction element 8 is at right angles to the incident beam path, the incident beam generates only minimal reflection due to the surface properties. If the surface of the first diffraction element 8 is slightly angled toward the beam path, the beam path is refracted towards the solder, which slightly increases the loss reflection, but reduces the risk of total reflection when hitting another diffraction surface. The deflected beam path 20 strikes the Fresnel lens and is thereby guided away from the solder and in the direction of the energy converter arrangement through the hollow chamber region of the optical device.
  • the beam path 20 again encounters a Fresnel lens, which guides the beam toward the solder through the second diffraction element 9.
  • the beam path 20 Upon exiting the second diffraction element 9, the beam path 20 is deflected to the final total diffraction angle in the direction of the energy converter 6.
  • a holding region 22 is provided, in which the optical device 1 is designed to be particularly stable, so that attacking, not shown, fasteners can receive and fix the optical device 1.
  • FIG. 4 perspective view of an optical device 1 shows the essential components consisting of the first bending element 8, the second bending element 9, and the connecting elements 10. From the perspective View is also the linear extent of the components previously shown in cross-section evident. This in the longitudinal direction of a solar system extending components form in their entirety an optical device 1 which is similar to a Hol Eisenprofil created, and thus very stable and torsionally rigid.
  • An optical device 1 for diffracting a beam of a direct radiation source or a radiation transmitter onto an energy converter is disclosed, wherein at least two series-connected diffraction elements 8, 9 form the optical device.

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Abstract

Es wird eine optische Einrichtung (1) zur Beugung eines Strahlenbündels einer direkten Strahlungsquelle oder eines Strahlungstransmitters auf einen Energiewandler (6) offenbart, wobei zumindest zwei in Reihe geschaltete Beugungselemente (8, 9) die optische Einrichtung (1) bilden.

Description

Optische Einrichtung zum Beugen eines Strahlenbündels sowie ein Verfahren zur Beugung eines Strahlenbündels
Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung zum Beugen eines Strahlenbündels sowie ein Verfahren zur Beugung eines Strahlenbündels.
Unter Solartechnik versteht man die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie der Sonne (oder auch Solarenergie) in nutzbare Energieformen. Dabei gliedert sich das Spektrum der Solartechnik in verschiedene Teilgebiete auf, wobei danach unterschieden wird, ob aus der Sonnenstrahlung Wärme oder elektrische Energie gewonnen wird.
lit Hilfe von Solarkollektoren wird bei einer Solaranlage ein Wärmeträger wie z. B. Wasser durch die Sonnenenergie erwärmt und dem Anwender in Form von Warmwasser bereitgestellt oder einer Energiewandlung zu nutzbarem Strom zugeführt. Im Gegensatz dazu wird bei einer Photovoltaikanlage die Strahlungsenergie der Sonne direkt über die Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt, die dem Nutzer als Solarstrom zur Verfügung steht.
Entscheidend für den wirtschaftlichen Betrieb einer solchen Anlage sind neben dem Standort weitere Faktoren, wie beispielsweise die Größe der sonnenbeaufschlagten Fläche sowie die Qualität der Ausrichtung der beaufschlagten Fläche in Richtung Sonne.
Um die Größe der sonnenbeaufschlagten Fläche effizienter zu gestalten, sind in den letzten Jahren diverse Solaranlagen entwickelt worden, die mehr Sonnenlicht gebündelt auf ein Photovoltaikelement aufbringen. Eine optische Einrichtung, wie beispielsweise eine Strahlung konzentrierende Fresnel-Linse, die wesentlich breiter als das Photovoltaikelement ist, wird dabei vor das Photovoltaikelement gebracht, so dass dieses mit einer höheren Strahlenkonzentration beaufschlagt wird. Dadurch kann diese Solaranlage im Vergleich zu Anlagen, die nur der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt sind aufgrund der besseren Nutzung der Größe der sonnenbeaufschlagten Fläche eine wesentlich größere Menge an Sonnenlicht einfangen, mehr Energie erzeugen und trotz geringerer Größe der Photovoltaikelemente den gleichen Ertrag an Energie liefern wie eine vergleichbare Anlage, bei der die Energiewandleranordnung die Größe der optischen Einheit aufweist.
Die Reflexionsverluste an der Oberfläche derartiger Fresnel-Linsen wirken sich negativ auf den Wirkungsgrad der Solaranlage aus. Diese Reflexionsverluste resultieren aus einem senkrecht auf die Erde gerichteten Sonnenstrahl, der an der schräg stehenden prismenförmigen Oberfläche der Fresnel-Linse aufgeteilt wird in einen reflektierenden Strahl und eine transmittierenden Strahl. Der transmittierende Strahl wird gebeugt auf den Energiewandler gerichtet, wohingegen der reflektierende Strahl die Leistungsfähigkeit der Anlage verringert (siehe Fig. 1).
Darüber hinaus besteht bei derartigen Fresnel-Linsen die Gefahr einer Totalreflexion, da die Strahlung an der Oberfläche nicht gebeugt, sondern vollständig reflektiert wird. Trifft ein Strahl in einem optisch dichteren Medium unter einem zu großen Einfallswinkel α auf die Grenzfläche zum optisch dünneren Medium, wie z. B. der Glas- Luft- oder Kunststoff-Luft-Übergang, so wird dieser einfallende Strahl nicht mehr gebeugt, sondern zu 100% als reflektierter Strahl abgeleitet. Ein durch Totalreflexion reflektierter Strahl kann keine Energie am Energiewandler erzeugen und erzeugt somit einen schlechten Wirkungsgrad.
Darüber hinaus verfügen Fresnel-Linsen über eine geringe Stabilität, was zu einer ungewollten Strahlablenkung aufgrund der Toleranzen zwischen Soll- und Ist-Winkel führt. Besonders durch äußere Einflüsse, wie z. B. Wind, Hagel oder Ausdehnung aufgrund der Wärme, aber auch durch das Eigengewicht der optischen Einrichtung werden Ablenkungenauigkeiten derart erhöht, dass Strahlen nicht mehr auf den Energiewandler treffen. Eine Aussteifung mittels verschiedenster Befestigungsvarianten stabilisiert bzw. verstärkt die optische Einrichtung. Diese Stabilisierungen in Form von Halteelementen erzeugen jedoch einen geringeren Wirkungsgrad, da die optischen Wirkflächen durch sie verkleinert werden und zusätzliche Schattenbereiche entstehen. Eine Verstärkung der Fresnel-Linse mittels eines dickeren Querschnitts oder einer Auflagefläche aus Glas führt zu weiteren Transmissionsverlusten.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile zu minimieren und eine optische Einrichtung bereit zu stellen, deren Torsionssteifigkeit und geringere Reflexionsverluste ein wirtschaftliches Betreiben einer Solaranlage ermöglicht. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum reflektionsarmen Beugen eines Strahlenbündels bereit gestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Vorrichtungsmerkmalen und durch ein Verfahren mit den in Anspruch 17 angegebenen Verfahrensmerkmalen gelöst.
Dabei zeigt eine optische Einrichtung, vorzugsweise eine nachgeführte Solaranlage, zur Beugung eines Strahlenbündels einer direkten Strahlungsquelle oder eines Strahlungstransmitters auf einen Energiewandler, zumindest zwei in Reihe geschaltete Beugungselemente, wobei die Beugungselemente auf Abstand zueinander montiert eine einstückig ausgebildete optische Einrichtung bilden. Dieser Aufbau ermöglicht eine besonders hohe Torsionssteifigkeit, da sich der Umfang und die Querschnittsfläche bei geringem Gewicht der optischen Einrichtung vergrößert. Darüber hinaus erlauben zwei hintereinander angeordnete Beugungselemente eine Beugung mit weniger Reflexionsverlusten, da sich die zur Beaufschlagung des Energiewandlers notwendige Gesamtbeugung des auf die optische Einrichtung treffenden Strahls auf zwei kleinere Beugungen an jeweils beiden Beugungselementen verteilt. Die dadurch kleineren Einfallswinkel α auf die Beugungsfläche führen dabei zu einer geringeren Reflexion.
Eine besonders genaue Beugung an der Beugungsfläche des Beugungselements entsteht, wenn diese aus einer Strahlablenkungseinrichtung gebildet ist. Diese teilt die mit Sonnenstrahlen beaufschlagte Oberfläche der optischen Einrichtung in separate Abschnitte ein, die in Abhängigkeit vom gewünschten Beugungswinkel eine individuelle Strahlablenkung ermöglichen. Die Strahlengänge können somit gestreut, parallel zueinander umgelenkt oder fokussiert werden. Eine besonders wirkungsvolle Ausgestaltung der optischen Einrichtung sieht vor, die Strahlablenkungseinrichtung aus einer Fresnel- Prismen- bzw. Fresnel-Linsen-Struktur aufzubauen. Diese vorzugsweise aus Prismen in Reihe gebildeten Umlenkkörper ermöglichen eine präzise Beugung des Strahlenbündels auf sehr geringem Raum.
Dabei können die Beugungselemente jeweils zwei Strahlablenkungseinrichtungen an der Oberseite sowie an der Unterseite tragen. Eine besonders einfache Ausgestaltung der optischen Einrichtung sieht vor, die Beugungselemente so anzuordnen, dass die der Sonne zugewandten Beugungsfläche eine Strahlablenkungseinrichtung an der Unterseite aufweist und die im Strahlenverlauf unterhalb angeordnete Beugungsfläche eine Strahlabienkungseinrichtung an der Oberseite aufweist.
Zum Schutz dieser Beugungselemente sieht eine Ausgestaltung der optischen Einrichtung vor, die Wirkflächen mit einer Schutzfläche zu versehen. Durch diese aufgebrachte Schutzfläche, die vorzugsweise aus Glas gebildet ist, werden die Prismen vor Verschmutzungen, Beschädigungen, aber auch vor UV-Belastung und Alterungsprozessen geschützt. Diese Schutzflächen können sowohl einseitig an den Beugungs- eiementen, aber auch beidseitig, in der Art eines Sandwichs angeordnet werden.
Eine besonders wirkungsvolle optische Einrichtung wird geschaffen, wenn die beiden Beugungselemente im Winkel [A] zueinander angeordnet sind. Das dabei im Strahlengang unterhalb angeordnete Beugungselement weist gegenüber dem oberen Beugungselement dabei einen Winkel auf, so dass der Einfallswinkel im Strahlenverlauf zum Lot hin geringer wird und eine geringere Reflexion entsteht.
Eine weitere Ausgestaltung der optischen Einrichtung sieht vor, die Beugungselemente bogenförmig auszubilden, so dass die optische Einrichtung einen bogenförmigen Querschnitt aufweist. Dieser vorzugsweise konvex zur Strahlungsquelle hin ausgerichtete Bogen ermöglicht eine individuelle Beugung des Strahlengangs auf einen Energiewandler.
Erstreckt sich die optische Einrichtung mit ihren Bauteilen senkrecht zur Querschnittsfläche und bildet somit einen linearen Verlauf im Erstreckungsrichtung zur AnIa- ge, ist eine besonders einfache Herstellung der optischen Einrichtung aus Rollformoder Extruderteilen möglich.
Befindet sich zwischen den Beugungselementen zumindest ein Verbindungselement, ist es möglich, die optische Einrichtung aus miteinander verbundenen Einzelelementen zu schaffen, welche eine einstückige Querschnittsfläche bilden. Diese Verbindungselemente schaffen einen sowohl dichten als auch formschlüssigen Übergang zwischen dem oberen und dem unteren Beugungselement, so dass ein im Wesentlichen geschlossenes Hohlkörperprofil entsteht.
Eine besonders wirkungsvolle optische Einrichtung wird geschaffen, wenn sich die Verbindungselemente außerhalb des Strahlengangs befinden und somit keine Verschattung auf dem Energiewandler verursachen.
Erstreckt sich das Verbindungselement durchgehend linear zwischen den beiden Beugungselementen, dichtet es den somit entstehenden Hohlkörper an den Längsseiten vor eindringenden Verunreinigungen ab und stabilisiert in Verbindung mit einer zusätzlich möglichen stirnseitigen Anbringung eines Verbindungselements entsteht ein abgeschlossener Körper, der eine von äußeren Einflüssen geschützte optische Einrichtung bildet, wobei das Verbindungselement stets auf den entstehenden Abstand zwischen den beiden Beugungselementen angepasst ist.
Zur Befestigung der optischen Einrichtung an eine Solaranlage ist an der optischen Einrichtung ein Haltebereich vorgesehen, der eine möglichst einfache Befestigung ermöglicht. Ist dieser Haltebereich außerhalb des zu beugenden Strahlenbündels angeordnet, so entsteht keinerlei Verschattung auf dem Energiewandler, was zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad der Solaranlage beiträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beugen eines Strahlenbündels ermöglicht eine Beugung des Strahlenbündels an einer optischen Einrichtung, wobei der Strahlengang dabei zumindest einen ersten und einen zweiten Beugevorgang erfährt. Diese Aufteilung einer Gesamtbeugung des Strahlenbündels auf mehrere Beugevorgänge ermöglicht kleinere Einfallswinkel α, woraus geringere Reflexionen resultieren. Nachfolgend ist die erfindungsgemäße optische Einrichtung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Beispiele noch näher erläutert, ebenso das erfindungsgemäße Verfahren auf Basis dieser Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer optischen Einrichtung, basierend auf dem Stand der Technik;
Fig. 2 einen Seitenansicht einer Solaranlage mit einer erfindungsgemäßen optischen Einrichtung;
Fig. 3 einen Querschnitt einer bevorzugten Variante der optischen Einrichtung; und
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer optischen Einrichtung mit einem weiteren Beispiel eines Haltebereichs.
Die Fig. 1 zeigt den in der Beschreibungseinleitung genannten Stand der Technik, bei dem die Gesamtbeugung des Strahlenbündels an einer Beugungsfläche erzielt wird.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße optische Einrichtung anhand mehrerer Figuren beschrieben. Der Einsatz der optischen Einrichtung in dieser Solaranlage ist beispielhaft gewählt und wirkt sich nicht beschränkend auf die optische Einrichtung in verschiedenen Varianten von Solaranlagen aus.
Die in Fig. 2 gezeigte Seitenansicht dargestellte Querschnitt einer beispielhaften Solaranlage mit einer erfindungsgemäßen optischen Einrichtung 1 zeigt eine Vielzahl von Energiewandleranordnungen 2 bestehend aus einem Halteelement 4, einem Energiewandler 6 und der optischen Einrichtung 1 bestehend aus einem ersten Beugungselement 8 und einem zweiten Beugungselement 9. Das Halteelement 4 verbindet die Bauteile der Energiewandleranordnung 2 in der Art, das die optische Einrichtung über das Halteelement 4 starr mit dem Energiewandler 6 verbunden ist, wodurch ein gemeinsames Schwenken (Azimut-Nachführung) der Bauteile der Energiewandlerordnung 2 zumindest um einen gemeinsamen Drehpunkt D möglich ist. Zusätzlich kann auch eine Elevations-Nachführung vorgesehen sein. Der Strahlengang ist bei der gezeigten Ausführungsform so, dass die senkrecht zur Ausrichtung der Energiewandler 6 einfallenden Lichtstrahlen von der optischen Einrichtung 1 gebeugt und auf den Energiewandler der benachbarten Energiewandleranordnung gelenkt wird. Das Haltelement 4 kann verspiegelt sein, damit die darauf einfallende Sonnenstrahlung ebenfalls auf den Energiewandler 6 gerichtet wird. Zusätzlich trifft auf die Energiewandler 6 direkt einfallendes Sonnenlicht.
Diese Drehbewegung ermöglicht es der Solaranlage die Energiewandieranord- nung 2 tageszeitabhängig in der Art einachsig dem Sonnenstand nachzuführen, so dass der Energiewandler 6 stets mit einem Maximum an Sonnenstrahlen beaufschlagt wird. Dazu werden die im Wesentlichen parallel auf die Oberfläche der optischen Einrichtung 1 treffenden Sonnenstrahlen auf den Energiewandler 6 gebeugt, in dem die Sonnenstrahlen um einen Gesamtbeugungswinkel an der optischen Einrichtung 1 gebeugt werden, so dass die Oberfläche des Energiewandlers 6 mit einem Maximum an Sonnenstrahlen beaufschlagt wird, um eine effizientere Erzeugung von Energie zu ermöglichen. Eine Mehrzahl parallel nebeneinander in der Reihe montierter Energiewandleranordnungen 2 sind auf einer Unterkonstruktion 10 aus einem Gitter von Querträgern 12 montiert. Die Unterkonstruktion 10 bildet zusammen mit dem Gestell 14 die Aufstän- derung, wobei die montierten Energiewandleranordnungen 2 auf der Unterkonstruktion 10 mittels einer Nachführung 16 den Sonnenstand nachgeführt werden. Zur Befestigung kann die Photovoltaikanlage auf einem Fundament 18 fixiert werden.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt einer bevorzugten Variante der optischen Einrichtung, bestehend aus dem ersten Beugungselement 8, dem zweiten Beugungselement 9 und Verbindungselementen 10. Dabei ist das erste Beugungselement 8 im Strahlenverlauf näher an der Strahlungsquelle angeordnet, so dass durch das erste Beugungselement 8 hindurch der Strahlenverlauf auf das zweite Beugungselement 9 gerichtet ist. Die Verbindungselemente 10 sind dabei in der Art zwischen den Beugungselementen 8, 9 angeordnet, dass diese eine einstückige optische Einrichtung 1 bilden. Dazu werden die Abstände zwischen den Beugungselementen 8, 9 durch die Verbindungselemente 10 geschlossen. Diese Abstände variieren, wenn die beiden Beugungsflächen 8, 9 zueinander in einem Winkel [A] zueinander beabstandet sind.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer optischen Einrichtung 1 offenbart Beugungselemente 8, 9, deren Oberflächen unterschiedlich ausgeprägt sind. Dabei weist die eine Oberfläche eine im Wesentlichen glatte Oberflächenstruktur auf, wohingegen die zweite Oberfläche eine Strahlablenkungseinrichtung in Form von Prismen trägt. Die so entstehende Fresnel-Linse ermöglicht Beugungen, die den Strahlengang 20 parallel umlenken, fokussieren oder streuen können.
Alternativ zu der hier gezeigten Ausführungsform der Beugungselemente 8, 9 können diese auch an beiden Oberflächen Strahlablenkungseinrichtungen tragen oder auch mit sich voneinander unterscheidenden Strahlablenkungseinrichtungen beugen. Darüber hinaus ist eine unterschiedliche Ausgestaltung des ersten Beugungselements 8 zum zweiten Beugungselement 9 möglich, so dass beispielsweise das erste Beugungselement 8 im Gegensatz zum zweiten Beugungselement 9 keine Strahlablenkeinrichtung trägt. Zum Schutz der Oberflächen der optischen Einrichtung können die Beugungselemente 8, 9 nicht gezeichnete Schutzelemente, welche die Oberflächenstruktur der Beugungselemente 8, 9 vor Verunreinigungen oder Umwelteinflüssen schützen, aufweisen. Es ist auch möglich, zumindest eine Außenfläche der optischen Einrichtung mit einer selbstreinigenden Oberflächenstruktur mit sogenanntem „Lotus-Effekt" auszustatten, so dass separate Schutzelemente entfallen können.
Ein auf die optische Einrichtung 1 im Wesentlich parallel treffendes Strahlbündel 20 ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Energiewandleranordnung 2, welche mit dem Ziel gestaltet ist, ein Maximum an Strahlenenergie auf die Energiewandler 6 zu richten, wird dem Sonnenstand nachgeführt, wobei dabei die optische Einrichtung 1 in der Art geneigt wird, dass der Strahlengang 20 präzise in einer vorbestimmten Art auf den Energiewandler 6 trifft. Die dazu notwendige Gesamtbeugung wird in der hier gezeigten Ausführungsform von der optischen Einrichtung 1 auf zumindest zwei Beugungen verteilt.
Der von der optischen Einrichtung 1 auf den Energiewandler 6 gebeugte Strahlenverlauf ist abhängig von der Beschaffenheit der Beugungselemente 8, 9. Eine beson- ders bevorzugte Ausführungsform der Beugungszusammensetzung ist in Fig. 3 dargestellt. Der zur Energiemaximierung der Solaranlage notwendige Gesamtbeugungswin- kel ergibt sich aus mehreren hintereinander erfolgenden Beugungen. Diese können aus unterschiedlichen Beugungsarten und/oder unterschiedlichen Optiken entstehen. Dabei besteht die erste optische Einrichtung aus einer Fresnel-Linse deren Prismen im Strahlenverlauf nach Unten angeordnet sind und einen zweiten Beugungselement 9 aus einer Fresnel-Linse deren Prismen im Strahlenverlauf nach Oben zeigen. Die den Prismen abgewandte Oberfläche der optischen Einrichtungen 8, 9, weisen eine im Wesentlichen glatte Oberflächenstruktur auf.
Daraus ergibt sich folgender Strahlengang, wobei der Strahlengang im Allgemeinen den snelliusschen Brechungsgesetzen folgt. Steht die Oberfläche des ersten Beugungselements 8 rechtwinklig zum einfallenden Strahlengang, so erzeugt der einfallende Strahl nur minimale Reflexion aufgrund der Oberflächeneigenschaften. Ist die Oberfläche des ersten Beugungselements 8 leicht zum Strahlengang angewinkelt, so wird der Strahlengang zum Lot hin gebrochen, was die Verlustreflexion zum einen leicht erhöht, jedoch die Gefahr einer Totalreflexion beim Auftreffen auf eine weitere Beugungsfläche verringert. Der abgelenkte Strahlengang 20 trifft dabei auf die Fresnel-Linse und wird dabei vom Lot weg und in Richtung Energiewandleranordnung durch den Hohlkammerbereich der optischen Einrichtung geleitet. Von diesem besonders geschützten Bereich aus trifft der Strahlengang 20 erneut auf eine Fresnel-Linse, welche den Strahl zum Lot hin durch das zweite Beugungselement 9 hin leitet. Beim Austritt aus dem zweiten Beugungselement 9 wird der Strahlengang 20 auf den endgültigen Gesamt- beugungswinkel in Richtung Energiewandler 6 hin umgelenkt.
Zur Befestigung der optischen Einrichtung 1 an eine Energiewandleranordnung 2 ist ein Haltebereich 22 vorgesehen, in dem die optische Einrichtung 1 besonders stabil ausgeführt ist, so dass angreifende, nicht dargestellte, Befestigungselemente die optische Einrichtung 1 aufnehmen und fixieren können.
Die in Fig. 4 dargestellte perspektivische Ansicht einer optischen Einrichtung 1 zeigt die wesentlichen Bauteile bestehend aus dem ersten Beugeelement 8, dem zweiten Beugeelement 9, sowie den Verbindungselementen 10. Aus der perspektivischen Ansicht ist zudem die lineare Erstreckung der zuvor im Querschnitt gezeigten Bauteile ersichtlich. Diese sich in Längsrichtung einer Solaranlage erstreckenden Bauteile bilden in ihrer Gesamtheit eine optische Einrichtung 1 die ähnlich einem Holkörperprofil geschaffen ist, und dadurch sehr stabil und torsionssteif wird.
Es wird eine optische Einrichtung 1 , zur Beugung eines Strahlenbündels einer direkten Strahlungsquelle oder eines Strahlungstransmitter auf einen Energiewandler offenbart, wobei zumindest zwei in Reihe geschaltete Beugungselemente 8, 9 die optische Einrichtung bilden.
Bezugszeichenliste
1 Solaranlage
2 Optische Einrichtung
4 Halteelement
6 Energiewandler
8 Erstes Beugungselement
9 Zweites Beugungselement
10 Unterkonstruktion
12 Querträger
14 Gestell
15 Nachführeinrichtung
18 Fundament
20 Strahlgang
22 Haltebereich

Claims

Ansprüche
1. Optische Einrichtung, zur Beugung eines Strahlenbündels einer direkten Strahlungsquelle oder eines Strahlungstransmitters auf einen Energiewandler (6), gekennzeichnet durch zumindest zwei in Reihe geschaltete Beugungselemente (8, 9), die Bestandteil einer optischen Einrichtung (1) sind.
2. Optische Einrichtung nach Anspruch 1 , wobei zumindest eines der Beugungselemente (8, 9) eine Strahlablenkungseinrichtung aufweist.
3. Optische Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Strahlablenkungseinrichtung (8, 9) aus einer Fresnel-Prismen- bzw. Fresnel-Linsen-Struktur besteht.
4. Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest eines der Beugungselemente (8, 9) eine Schutzfläche aufweist.
5. Optische Einrichtung nach Anspruch 4, wobei die Schutzfläche oberhalb und/oder unterhalb der Strahlablenkungseinrichtung (8, 9) angeordnet ist.
6. Optische Einrichtung nach Anspruch 5, wobei die Schutzfläche aus Glas gebildet ist.
7. Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beugungselemente (8, 9) einen Winkel [A] zueinander aufweisen.
8. Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optische Einrichtung (1) einen bogenförmigen Querschnitt aufweist.
9. Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich die optische Einrichtung (1) senkrecht und linear zu Querschnittsfläche erstreckt.
10. Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zwischen den Beugungselement (8, 9) zumindest ein Verbindungselement (10)angeordnet ist.
11. Optische Einrichtung nach Anspruch 10, wobei das Verbindungselement (10) im Wesentlichen außerhalb des zu beugenden Strahlenbündels angeordnet ist,
12. Optische Einrichtung nach Anspruch 11 , wobei sich das Verbindungselement (10) linear zu Querschnittsfläche der optischen Einrichtung (1) erstreckt.
13. Optische Einrichtung nach Anspruch 11 , wobei sich das Verbindungselement (10) stirnseitig an der Querschnittsfläche der optischen Einrichtung (1) erstreckt.
14. Optische Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Verbindungselement (10) umlaufend um die optische Einrichtung (1) angeordnet ist.
15. Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die optische Einrichtung (1) einen Haltebereich (22) aufweist.
16. Optische Einrichtung nach Anspruch 15, wobei der Haltebereich (22) im Wesentlichen außerhalb des zu beugenden Strahlenbündels angeordnet ist.
17. Verfahren zum Beugen eines Strahlenbündels einer direkten Strahlungsquelle oder einem Strahlungstransmitters auf einen Energiewandler (6), mit einem ersten Beugevorgang des Strahlenbündels an einer optischen Einrichtung (1 ), gekennzeichnet durch zumindest einen zweiten Beugevorgang des Strahlenbündels an der optischen Einrichtung.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Gesamtbeugung des Strahlenbündels anteilig auf die Beugevorgänge verteilt wird.
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