WO2002044766A2 - Static concentrator - Google Patents

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WO2002044766A2
WO2002044766A2 PCT/DE2001/004430 DE0104430W WO0244766A2 WO 2002044766 A2 WO2002044766 A2 WO 2002044766A2 DE 0104430 W DE0104430 W DE 0104430W WO 0244766 A2 WO0244766 A2 WO 0244766A2
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Niluh Kusani Steigerwald
Max Steigerwald
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Niluh Kusani Steigerwald
Max Steigerwald
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a concentrator for concentrating incident light on a predetermined surface or volume with an input surface and an output surface.
  • the entry surface of the concentrator is understood to mean that surface which is intended to receive sunlight, while the exit surface is to be understood to mean the surface which is intended to emit the concentrated sunlight to a predetermined volume or a predetermined surface.
  • Static concentrators are already used to increase the light density.
  • the incident direct radiation is concentrated on a solar cell using optics.
  • imaging systems eg classic lenses, Fresnel lenses but also concave mirrors
  • non-imaging systems eg 3D- ⁇ ⁇ n / ⁇ 0u r concentrators
  • optics usually only achieve an efficiency of up to 80-90%, the light density can nevertheless be increased considerably.
  • the known concentrator modules are only able to convert direct sunlight into electrical energy.
  • the diffuse fraction of sunlight can be up to 50%, ie with the known concentrators only between 50 and a maximum of 90% of the total solar radiation can be concentrated.
  • the known concentrators only between 50 and a maximum of 90% of the total solar radiation can be concentrated.
  • wedge-shaped optical bodies have already been proposed in order to concentrate diffuse radiation in addition to direct radiation.
  • the wedge-shaped optical body can indeed significantly reduce the opening angle of the incident radiation, but the light emerging at the exit surface or surfaces is not sufficiently "quasi-parallel", so that direct radiation and diffuse radiation, which generally have an opening angle of approximately 180 ° strikes the input surface of the concentrator, is reduced to a significantly smaller opening angle range, the surface onto which the light emerging from the output surface or surfaces of the wedge is imaged, but has not become smaller but larger than the input surface, including the arrangement of several Wedge-shaped elements next to one another cannot be realized, since parts of the light emerging from the exit surfaces of the concentrator can enter the neighboring wedge-shaped elements and are deflected there very unfavorably and are no longer available for concentration.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a static concentrator which is capable of concentrating diffuse radiation with high efficiency in addition to direct radiation.
  • the concentrator has both an angle-reducing element and an area-reducing element, the area-reducing element being connected upstream of the angle-reducing element.
  • the light incident on the input surface of the concentrator first passes through the area-reducing element and only then through the angle-reducing element before it emerges from the output surface or outputs of the concentrator.
  • the wedge mentioned at the beginning can be used as the angle-reducing element.
  • the area-reducing element can be any imaging or non-imaging optics or an optical body that has an input surface that is larger than its output surface.
  • the angle-reducing element can, for example, be a focusing device, e.g. be followed by a lens.
  • the area-reducing element has an optical body, preferably in the form of a truncated cone or a truncated pyramid, the cross section of which tapers in the beam direction.
  • the light is guided in the optical body until it tapes the area-reducing element on its tapered starting surface. leaves.
  • the concentrator Since the concentrator is intended for the concentration of sunlight, it will generally be arranged with the input surface facing up and the output surface facing down. Of course, however, the concentrator can also be used advantageously in any other orientation. For example, it is possible to first deflect the sunlight with a deflecting optic, so that the input surface is then no longer arranged at the top and the output surface is no longer arranged at the bottom. If in the following there is nevertheless talk of above and below, above should always be understood in the direction of the entrance surface and below always in the direction of the exit surface.
  • a particularly expedient embodiment provides that the optical body of the area-reducing element is mirrored in the upper region of its outer surface.
  • the result of this measure is that at least the light rays, which form a large angle with the optical axis in the upper region of the area-reducing element, cannot leave the optical body in the upper area of the area-reducing element on the side. Rather, the light rays are reflected on the lateral surface and directed back into the optical body. Due to the reflection on the mirrored outer surface of the tapered optical body, however, the angle of the reflected light beam with respect to the optical axis is increased. If the angle of the light beam becomes too large, the light will reverse the direction and be reflected back to the entrance surface of the area-reducing element.
  • the size of the mirrored upper cladding area is therefore preferably dimensioned such that even light that occurs at a large angle to the vertical on the input surface of the area-reducing element is not reflected back by the area-reducing element, but is instead imaged onto a reduced area in the beam direction.
  • this has the consequence that light beams can emerge laterally from the area-reducing element in the lower region of the area-reducing element.
  • At least one prism or an angle-changing element is arranged on the side walls of the optical body, the refractive index ni of the prism being greater than 1. Since an optical body can also be understood to mean a prism, the optical body is also referred to below as the main body in contrast to the prisms arranged on the side walls of the main body.
  • the at least one additional optical body in the form of a prism refracts the light which may emerge from the side wall of the main body in the lower region of the area-reducing element in such a way that the angle which the refracted light encloses with the optical axis is smaller than the angle of the encloses the optical main body on its side wall leaving light beam with the optical axis.
  • the angular the element does not necessarily have to be a prism.
  • a grating, in particular an Echellette grating, is also successfully used here.
  • the area-reducing element can also have an angle-reducing effect.
  • the radiation intensity can be maximum for rays which form an angle other than zero with the main optical axis.
  • the deviation (scatter) of some beam angles from the beam angle is reduced with maximum intensity.
  • the angular expansion of the incident beam is reduced.
  • This in turn can be used to design the angle-reducing part as an angle-transforming part, which refracts light that is incident with the beam angle of the maximum intensity towards the main axis, so that preferably the beams of maximum intensity run parallel to the optical main axis.
  • the ratio of the input area to the output area of this angular transformer is very favorable since it is almost 1. If the angle-reducing effect in the area-reducing element is large enough, the angle-reducing element can also simply be an angle-transforming element.
  • a prism Preferably not only a prism but a whole row of prisms is arranged on the side wall.
  • These prisms are advantageously arranged periodically from top to bottom on the side wall of the main optical body.
  • several prisms next to one another in a direction perpendicular to the main optical axis.
  • identical prisms can be arranged periodically.
  • prisms with different sizes next to one another do not necessarily have to be arranged in an approximately circular manner surrounding the optical main body, but can, for example, also be arranged in a spiral along the outer wall of the optical main body.
  • the optical body can also have the refractive index 1, i.e. be made of air. In this case, it only depends on the arrangement of the prisms.
  • the prisms can also be arranged inside the area-reducing body. In this case, however, the refractive index of the prisms must be different from the refractive index of the main optical body.
  • the prisms can, for example, be formed in one piece with the optical body.
  • the side walls of the prisms are formed, for example, by preferably non-parallel incisions in the outer wall of the main body.
  • the at least one prism is not formed in one piece with the main body.
  • a gap is advantageously provided between the optical main body and the prism. If the gap also does not have a continuous width, the transition from the optically denser to the optically thinner medium, that is to say from the main optical body in air, and the subsequent transition from the optically thinner to the optically thicker medium um, that is, of air into the adjacent prism, to reduce the angle between the light beam emerging from the main optical body and the main optical axis.
  • the at least one prism is preferably arranged such that the tip of the prism is oriented approximately upwards. The tip preferably has a tip angle of less than 90 °.
  • a particularly expedient embodiment provides that the side walls of the area-reducing element are mirrored, the at least one prism being located between the optical main body and the mirroring.
  • the mirroring can be done by mirroring at least one outward side of the prism or by providing a separate mirroring, e.g. B. in the form of a reflecting film surrounding the area-reducing element.
  • the mirroring is preferably arranged approximately parallel to the surface of the main body.
  • the mirroring results in a reflection of the light emerging from the main optical body on the mirrored surface. It is therefore not absolutely necessary for the input tip of the prism to face the outer wall of the optical body. Rather, even after the light has emerged from the outer wall of the optical body, it can first be reflected on the mirrored surface and then enter it in the region of the input tip of the prism. It is only essential that the prism is arranged in such a way that the light emerging from the main optical body enters the prism either directly or after reflection essentially in the area of the input tip and not in the area of the surface facing away from the input tip.
  • a particularly expedient embodiment of the concentrator according to the invention provides that one side of the at least one prism is arranged in such a way that as far as possible all light rays that have entered the prism are totally reflected on the side of the prism facing away from the optical main body, that is to say are deflected downward.
  • the side of the prism facing away from the main body should enclose an angle ⁇ with the main optical axis for which a ⁇ aresin [(sin ( ⁇ mM ) -] applies, where n 0 is the refractive index of the n ⁇ surrounding the side surface
  • n ⁇ is the refractive index of the prism and ⁇ max is the largest angle which the light rays entering the main body facing the main body enclose with the main optical axis.
  • ⁇ max is the largest angle which the light rays entering the main body facing the main body enclose with the main optical axis.
  • prisms with a mirrored surface on or near the outer wall of the optical body.
  • the prism is advantageously arranged such that a tip, the input tip is oriented essentially upwards, and the mirrored surface, which should be arranged on the side of the prism facing away from the main optical body, is aligned approximately parallel to the main optical axis is. Since the light is always broken away from the refractive edge when light passes through a prism, the combination of the prism with the mirroring ensures that the angle that the light entering the prism makes with the main optical axis is greater than the angle which the light emerging from the prism occupies with the main optical axis.
  • a second prism is arranged on one side of at least one prism facing away from the input tip, the second prism having a refractive index n 2 that is smaller than the refractive index n of the at least one prism. It has been shown that under certain circumstances some light rays hit the side of the prism facing away from the input tip so unfavorably that they do not transmit, but are totally reflected. By arranging a second prism with a somewhat lower refractive index, the critical angle of the total reflection is reduced, so that the unfavorably extending light rays from the first prism can reach the second prism.
  • This second prism is preferably arranged so that a tip points substantially downwards. This tip is also advantageously inclined in the direction of the main body.
  • the transition surface between adjacent prisms does not have to be straight. It should be noted at this point that the transition from the prism with a lower refractive index to an underlying prism with a larger refractive index leads to a deterioration in the beam path. However, this is compensated for by the tip angle of the prism below.
  • the refractive angle ⁇ that is to say the tip angle ⁇
  • the refractive angle ⁇ is chosen to be so large that the light entering the prism cannot exit at the side surfaces which are adjacent to the input tip. Rather, the light rays that have entered are totally reflected on these side surfaces.
  • at least one side surface that borders on the entrance tip is mirrored and applies to the refractive entrance angle:
  • the refractive index of the prism and n 0 being the refractive index of the medium essentially surrounding the prism in the irradiation area.
  • the light can be guided in the prisms, similar to the light guide in glass fibers.
  • the prism can also have 'kinks' or 'bending points' so that the light guided in the prism forms a smaller angle with the main optical axis.
  • the bending and bending points are of course not to be understood to mean that local distortions of the material occur here. A bending point could rather arise, for example, by angled at least one side surface of the prism.
  • Echelette gratings for the reflection wall of the main optical body.
  • the Echelette grating tries to concentrate the entire light intensity in a diffraction order.
  • the geometry of the echelette grating is chosen such that the desired diffraction maximum of the maximum intensity has an order m, which is different from zero, by inclining the various reflecting grating elements by the so-called blaze angle.
  • the angular width of the diffraction figure of the grating element is equal to the angular distance between two main maxima of the diffraction pattern of the grating.
  • a concentration of 70% of the incident light on an order can be obtained.
  • a particularly expedient embodiment of the concentrator provides that the input surface of the area-reducing element is not flat. This can be achieved, for example, by placing a receiving element upstream of the area-reducing element essentially in the form of optical bodies narrowing in the beam direction. This particular configuration of the input area of the concentrator ensures that the angle of the light beam guided in the main optical body of the area-reducing element to the main axis is optimized.
  • the surface-reducing element according to the invention the light falling on the input surface of the concentrator is imaged on the input surface of the angle-reducing element, the surface of the angle-reducing element being significantly smaller than the input surface of the concentrator.
  • the conical optical main body described preferably made of solid (plexi) glass, which is surrounded by a special reflection wall which reflects back the rays coming out of the cone.
  • This special reflection wall consists only of a mirrored wall in the upper area of the conical optical body. In the lower area, however, the reflection wall consists of several prisms which are arranged on the outside of the cone wall and which are preferably surrounded by a reflective layer.
  • This prism wall shows the intensity distribution of the output radiation as a function of the angle. These characteristics often have a maximum, i.e. in other words a preferred starting angle.
  • a preferred embodiment therefore provides that the materials of the prism wall are selected so that the maximum is as strong as possible.
  • the area-reducing effect is usually somewhat less.
  • the prisms in particular if they are passed through several times, which is the case with the multiple arrangement on the wall of the main optical body, have a special emission behavior, namely a radiation of the light within a relatively narrow exit angle band or exit angle interval.
  • this output angle band initially does not include the direction of the main optical axis, this can be achieved with the aid of the angle transformer described above.
  • the starting surface of the area-reducing element is in front of an angle-reducing element, for example a wedge.
  • This wedge can be mirrored on one side, but a distance is preferably provided between the mirrored surface and the outside of the wedge, which increases in the direction of incidence.
  • a prism with a mirrored outer surface is arranged on at least one outer side of the wedge-shaped element, a gap increasing in the beam direction being present between the outer surface of the wedge-shaped element and the prism.
  • the prism has an end surface at the bottom which can lead into a further angle-reducing element.
  • inclusions are provided in the wedge-shaped element which have a lower refractive index than the wedge-shaped element.
  • a preferred concentrator element in the beam direction ie from top to bottom, therefore consists of the elements input element, area-reducing element, angle-reducing element, focusing device and, if appropriate, solar cell.
  • the concentrator element has a non-homogeneous cross section due to the individual elements. While the input element has a relatively large cross-section, the cross-section in the beam direction is significantly reduced by the area-reducing element before it is slightly expanded again by the angle-reducing element.
  • a plurality of concentrator elements are preferably arranged next to one another.
  • the focusing element since the focusing element often has particularly good focusing properties for near-axis rays, that is to say rays in the vicinity of the optical axis, the focusing element, for example a lens, can advantageously also be selected with a diameter larger than the input surface of the receiving element , when adjacent concentrator elements are arranged offset in height. The result of this is that the focusing element is arranged precisely at the height at which the adjacent concentrator element has its area-reducing element, ie has its "constricted" area.
  • the cross section of a concentrator element can be arbitrary in supervision. If only one concentrator is used, however, a round cross-sectional shape is usually preferred. If, on the other hand, several concentrators are placed next to each other, other shapes that take full advantage of the available space should be preferred. A hexagonal cross-sectional shape is particularly preferred here, so that the individual concentrator elements can be arranged next to one another in the form of “honeycombs”.
  • concentrator elements are arranged one behind the other.
  • any number of levels of concentrator elements can be arranged one behind the other.
  • a converging lens is preferably attached in the beam direction after the concentrator element and concentrates the beams of the individual elements on a focal surface, which always has a lateral extension.
  • a further layer of concentrator elements can be inserted or a light beam receiver which transmits its light beams to a light guide in order to convert the light to another location, preferably at the edge of the housing. If a further layer of concentrator elements is inserted, the area-reducing parts are omitted for these concentrator elements. Instead, only a light guide for lateral displacement is required, since the focal surface or plane can be extended to the entire surface in order to be able to use angle-reducing elements with a larger final diameter, which thereby have a smaller scattering angle.
  • the light in the focal surface must be converted, but it can also be transmitted.
  • Hollow bodies mirrored on the inside, for example, are suitable for forwarding.
  • summing elements can be used which combine the light of individual lines into a common line, since this can reduce the overall length of the lines.
  • the light guided in the lines can be refurbished with concentrator elements before the current conversion.
  • the current transformer can be advantageous if there is an additional color separation in front of the current transformer, which separates the total light into its spectral colors.
  • This can e.g. B. done by a special coating of an optical body that transmits light at different points of different wavelengths or reflects light of different wavelengths back into the optical body.
  • the color separation could also be carried out using a prism with a large dispersion and a correspondingly small Abbe number.
  • a staggered embodiment is also possible.
  • the color separation has the advantage that a color-specific conversion of the light into electricity is possible, so that wavelength-optimized converters can be used which have a considerably higher efficiency.
  • the wavelength-specific converters can also be arranged next to one another by suitable light guidance.
  • a scattered light collecting element can be arranged in front of the converter or converters, which brings the scattered light onto the focal surface.
  • the concentrator elements are preferably accommodated in cells, the walls of which are components of the housing.
  • the housing is advantageously designed to be flexible so that the substructures for the housing can be omitted. A simple attachment to the surface, for example with pegs, is sufficient.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a concentrator element
  • FIGS. 2 to 5 different embodiments of prism walls
  • FIG. 6 shows a preferred embodiment of a prism for a prism wall
  • FIGS. 7 and 8 preferred embodiments of an angle-reducing element
  • FIG. 9 an embodiment of a summing element
  • FIG. 10 shows a schematic representation of the beam path through an absolute value converter
  • FIG. 11 shows an embodiment of a “zero angle suppression”
  • Figure 12 different arrangement options of several concentrator elements side by side.
  • the present invention and thus also the embodiments shown serve to concentrate daylight, that is to say diffuse and direct radiation, on preferably about 1/20 of the starting surface. This concentration should be done without the help of moving parts if possible. Since the concentrator is to be used for energy generation, large areas are often required. It is therefore advantageous to subdivide the total area into individual cells, each of which contains a concentrator element and whose area is approximately 100 cm 2 .
  • the basic structure of a concentrator element 1 is shown in FIG.
  • an area-reducing element 3 is connected upstream of an angle-reducing element 4 in the beam direction, that is to say from top to bottom in FIG. 1.
  • an input area 2 is connected upstream.
  • the angle-reducing element here consists of a wedge-shaped element 4 with a reflective sheathing 5.
  • a collecting lens 7 is attached, which can focus the light emerging from the concentrator onto an area.
  • the wedge-shaped element 4 which is known per se, can be used for a concentrator if a surface-reducing element 3 is connected upstream of it.
  • the construction of an area-reducing element is described by way of example using some embodiments.
  • the area-reducing element 3 essentially consists of a cone made of an optical material, for example of solid glass. This cone is surrounded by a special reflection wall, which reflects the rays coming out of the cone back into the cone. If the wall of the cone were only mirrored, the angle that the light beam encloses with the main optical axis 6 would be increased with each reflection on a side wall. At some point the angle reaches 90 ° so that the direction of the light is reversed.
  • the special reflection wall which is arranged at least in the lower area of the cone on the outer wall, is also called prism wall in the following, since it consists of a series of prisms.
  • the prism wall serves to reduce the angle between the light beam and the main optical axis.
  • tial reflection wall does not apply the normal reflection law, in which the angle of incidence is equal to the angle of reflection, but the angle of reflection is smaller than the angle of incidence by a deflection or deflection angle.
  • This deflecting property of the prism wall which will be described in detail below, works particularly well for light rays which form a relatively large angle with the main optical axis. Therefore, in the preferred embodiment, the special reflection wall is arranged only in the lower region of the cone, while in the upper region the cone is surrounded by a mirrored layer. As already mentioned, the mirrored layer leads to the angle between the light beams and the main optical axis 6 being increased with each reflection on the side wall.
  • the maximum angle that the light rays entering the cone enclose with the main optical axis is not 90 ° but arcsine (1 / n 1 ), where n- ⁇ is the refractive index of the cone material. If, for example, the cone is made of plexiglass, the maximum angle that the light that has just entered the cone with the main optical axis 6 is 42 °. The fact that the cone is mirrored in the upper region ensures that the maximum angle which the light beams enclose with the main optical axis is increased again.
  • the maximum angle which the light rays enclose with the main optical axis 6 is increased to a maximum of 90 °.
  • the mirrored surface must end in order to avoid reflections. Now the special reflective wall connects to the bottom.
  • One way of reducing the angle that light rays enclose with the main optical axis 6 by arranging prisms on the outer wall of the cone is to use the total reflection during the transition from the optically denser to the optically thinner medium.
  • a basic structure of a prism wall is shown in FIG. 2 in the left partial image.
  • the angle which the incisions enclose with the main optical axis is chosen such that light rays which enclose an angle of approximately 90 ° with the main optical axis 6 are still totally reflected on the underside 13 of the incision. This is illustrated using an exemplary light beam L.
  • This light beam is totally reflected on the underside 13 of the incision, then directed to the reflective layer 5, reflected by it and can then pass through the other incisions almost unhindered. It can be clearly seen that the reflected beam encloses a significantly smaller angle.
  • the arrangement shown makes it possible for a large part of the light rays in the cone to be reflected in the desired manner.
  • the further developments shown in the two other partial images in FIG. 2 are based on the same principle, but have been optimized in order to increase the proportion of light rays reflected in the desired manner.
  • the incisions are sawtooth-shaped, as shown in the middle partial image of FIG. 2. Further prisms 8 are then inserted into the sawtooth-like incisions. been brought.
  • the first transition is again the lower incision surface 13.
  • all light rays are reflected which enclose an angle of ⁇ 78 ° with the main optical axis.
  • Light rays, which enclose an angle between 78 ° and 90 ° with the main optical axis, can leave the cone at the transition 13 and reach the outer prism.
  • the upper end 14 of the outer prism is arranged in such a way that these light beams are totally reflected here and are finally mirrored on the side mirrored end 5 of the prism.
  • the upper edge 14 of the prism 8 forms an angle with the main axis, which is chosen such that light rays which form an angle of 90 ° with the main axis are totally reflected at the interface 14 from the optically denser material into the optically thinner material ,
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of a prism wall, but which is based on the same basic principle as the embodiment shown in FIG. 2. As can be seen in the left partial image of FIG. 3, this embodiment is also based on a cone with incisions. In the optimization, however, the entire incised area is now separated from the actual cone 3, so that its outer surface is largely smooth again. Prisms 8 are arranged, the upper edge 14 of which in turn encloses an angle with the main optical axis, which for the total reflection of light rays forms an angle with the main optical axis of approximately 90 °. close, guaranteed.
  • prisms made of a material whose refractive index is smaller than the refractive index of the cone are additionally inserted into the prism wall.
  • the inserted prisms are provided with the reference number 9.
  • These prisms made of material with a low refractive index are used, inter alia, for light rays reflected on the reflected layer 5, which would be totally reflected without the presence of the prism 9 with a refractive index at the upper edge of the incision 16 during the transition from the optically denser to the optically thinner material to safely return to the cone.
  • the refractive index of the prism 9 is smaller than the refractive index of the cone 3, but larger than the refractive index of air, the critical angle at which total reflection occurs at the interface 16 is increased, so that those reflected back on the reflected surface 5 Light rays largely pass through prism 9 and are returned to the cone.
  • This prism arrangement is advantageous for light rays that first enter prism 8. However, this arrangement is less advantageous for light beams that do not enter the prism 9 with a lower refractive index via the prism 8, but rather enter the prism 9 directly from the main optical body. Therefore, an improved embodiment provides that the prism is compared to the prism 8 reduced refractive index on the side facing the main body, a surface mirrored on both sides is provided.
  • the optical main body preferably does not run conically in the area of this surface mirrored on both sides, but here has an outer surface which runs essentially parallel to the main optical axis, in order to avoid undesired reflections due to the “funnel effect” mentioned at the outset. It goes without saying that an element which is mirrored on both sides can preferably also be used in the other embodiments in combination with a non-tapering section of the optical main body.
  • FIG. 1 Another embodiment of a prism wall is shown in FIG.
  • the light rays are guided in the prisms because their cross-section is constantly increasing.
  • a part of the cone 3 can be seen on the left in the right partial image of FIG.
  • On the right are the pointed prisms.
  • the light rays that leave the cone 3 on its outside enter the prisms 8. Since the prism 8 widens in the beam direction, the light beams are virtually "captured". The light beam can therefore initially not leave the prism and is guided to the end of the prism, similar to the light guiding principle in glass fibers. Due to the curved arrangement of the prism 8, the angle that the light beam encloses with the main optical axis is reduced.
  • the light rays emerge from the prism and are reflected on the mirror 5.
  • the prisms 8 In the reverse direction, the light beams are diffracted in the direction of the main optical axis during each pass.
  • the axis of the prism body can be "bent”.
  • Several "kinks" 17 can therefore be provided. Similar to the light guiding principle in glass fibers, the light rays cannot leave prism 8.
  • the prisms 8 do not necessarily have to be arranged such that their tip or input tip 15 faces the cone 3. Rather, they could also be facing the mirroring 5, so that the light beams first pass through a plurality of prisms 8 when they emerge from the cone 3 and are thereby "downward", that is to say in the direction of the main optical axis, and only after the reflection are "captured” on the mirror 5 in a prism 8 and then guided in the direction of the cone 3.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of prisms which can be arranged on the outer surface of a cone.
  • the prism 8 has a mirrored outer surface 5.
  • the mirrored outer surface runs essentially parallel to the main optical axis of the cone.
  • a light beam L is shown which emerges from the cone 3 and occurs on the first surface of the prism 8. There it is broken to the plumb line and reflected on the mirror 5.
  • the reflected light beam encloses a smaller angle with the main optical axis than the light beam L originally emerging from the cone 3.
  • a special reflection wall could be realized with the aid of triangular prisms mirrored on one side become.
  • prism 8 shown in FIG. 6 has a further acute-angled prism 9, which is made of a material with a low refractive index.
  • This further prism 9 is preferably arranged so that it points substantially downward with a tip.
  • the tip is advantageously inclined somewhat in the direction of the main optical body, as can be seen in the figure.
  • prism 8 consists of polycarbonate with a refractive index of 1.59 and prism 9 of a material with a refractive index of 1.34. This arrangement has the advantage that light rays from the prism 8 can easily penetrate into the additional prism 9, since the critical angle for the total reflection is formed from the ratio of the refractive indices of the adjacent main optical bodies.
  • FIGS. 7 and 8 show two embodiments of angle-reducing elements.
  • the embodiment shown in FIG. 7 shows an angle-reducing element which essentially consists of a wedge-shaped element 4. Outside of the wedge-shaped element 4, however, a mirroring 5 is provided, on the inside of which a narrow prism 12 is placed. There is a small air gap between the prism 12 and the wedge-shaped element 4.
  • the light beam shown as an example in FIG. 7 is first totally reflected on the radiating side surface of the wedge-shaped element 4. If the back were mirrored, the light beam would be twice the wedge angle after reflection on the emitting side. If the back of the wedge is also open, the light beam can leave the wedge if the angle that the light beam forms with the perpendicular is greater than the total reflection angle.
  • FIG. 8 Another embodiment of the angle-reducing element 4 is shown in FIG.
  • bodies 10 with a different refractive index are introduced into the wedge 4.
  • the angle that the light rays emerging from the wedge enclose with the main optical axis can be reduced by the refraction of light on the embedded parts in front of the exit surface. Overall, this leads to a reduction in the angular range spanned by the emerging light rays, which the emerging light rays enclose with the main optical axis. In other words, the light emerges from the angle-reducing element virtually in parallel.
  • a further prism 11 is additionally attached directly to the outside of the wedge-shaped element.
  • this additional prism 11 leads to the fact that the emerging light beams again enclose a somewhat larger angle with the main optical axis, the angular scatter is reduced at the same time. In other words, the emerging light beams run essentially parallel, if not parallel to the main optical axis. However, this can be compensated for by the surrounding mirror wall.
  • a conventional element can be used to advance Focusing 7 with a reduced light exit area.
  • FIG. 9 shows a summing element which is preferably used in combination with the concentrator elements. Beams coming from above via the totally reflecting surface 20 and in the figure coming from the right can be guided by transmission on the surface 20 to the relay 21 both in the figure.
  • FIG. 10 shows the basic structure and the mode of operation of an absolute value converter as it can be used in combination with the concentrator elements.
  • the absolute value converter 22 essentially consists of a prism with an approximately rhombus-shaped cross section, one side surface of which is mirrored.
  • the light rays coming from the left in the drawing and provided with the reference number 29b are refracted at the two boundary surfaces of the prism. If the effective refractive angle is non-zero, i. H. the two side surfaces (top left and bottom right in FIG. 10) which are traversed by the light rays 29b coming from the left are not parallel, these rays are deflected by a certain amount (depending on the effective refractive angle).
  • the incident light rays can have an opening angle of 180 °
  • the emerging light rays are limited to an opening angle of 90 °.
  • the prisms are preferably formed in a ring.
  • the rings then have a cross section which essentially corresponds to that shown in FIG. 10.
  • the mirrored surface is preferably arranged so that it is attached to the radially outer side of the substantially annular prism.
  • the static concentrator consists of several essentially concentrically arranged, approximately ring-shaped absolute value converters.
  • This concentrator can also be combined with optical bodies or concentration bodies for certain applications in order to further increase the concentration factor.
  • Another application of the absolute value converter is the use as an optical adder.
  • the light collected in neighboring concentrators can be diverted using absolute value converters in such a way that neighboring concentrators direct the incident light onto a common (larger) solar cell. This can further reduce the number of solar cells required per area.
  • FIG. 11 shows an embodiment of a zero-angle suppression.
  • the zero-angle suppression is used to reduce the overall length.
  • inclusions or hollow bodies 24 are introduced in the angle-reducing element in front of the actual wedge, and the rays, which form a small angle with the main optical axis, are broken away from the main optical axis. Since rays that are entering the wedge only have to be increased to the total reflection angle by total reflection on the tapered walls, this can also be achieved beforehand by an inserted optical element.
  • angled cavity prisms 24 are used here, which are arranged with the tip upwards. As a result, the almost vertically incident rays are specifically broken.
  • a cavity prism 24 is understood to be a prism with a smaller refractive index arranged inside an optical body. These prisms preferably consist only of a prism-shaped air inclusion (cavity prism).
  • Such cavity prisms can also be used successfully in the area-reducing element, but here the tip preferably points downward. At the top, these prisms have a transition to the optical body made of a material with a lower refractive index, so that total reflection can no longer take place there. These prisms support the effect of the prisms on the side.
  • a concentration body can be arranged, which can be designed, for example, as a radially symmetrical, externally mirrored concentration prism.
  • the prism has a through opening in its center through which light rays can pass perpendicularly.
  • FIG. 9 Different arrangement possibilities of concentrator elements are shown in FIG. The left part of the figure shows that the individual concentrator elements are arranged side by side. It is striking that the concentrator elements 1 have a maximum cross-sectional width D only in the entrance area. The maximum cross-section is significantly reduced in the area of the area-reducing element. This enables an arrangement as shown on the right in FIG. 9.
  • adjacent concentrator elements are offset in height, so that the focusing device, which is in the form of a lens here, can have a cross section D 2 which is significantly larger than the maximum cross section D of the receiving element. This is made possible by the fact that the focusing element is arranged in the scaled area of the concentrator element 1.
  • the concentrator according to the invention makes it possible to concentrate light with an aperture angle of greater than 20 °, preferably greater than 40 °, particularly preferably greater than 100 °

Abstract

The invention relates to a concentrator for concentrating incident light on a predetermined area or on a predetermined volume with an entry area and an exit area. In order to provide a static concentrator that is capable of concentrating not only direct radiation but also diffuse radiation with a high level of efficiency, the invention provides that an area-reducing element (3) is connected up from an angle-reducing element (4).

Description

Statischer Konzentrator Static concentrator
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Konzentrator zur Konzentration einfallenden Lichts auf eine vorbestimmte Fläche bzw. ein vorbestimmtes Volumen mit einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche. Unter der Eingangsfläche des Konzentrators wird diejenige Fläche verstanden, die dafür vorgesehen ist, Sonnenlicht aufzunehmen, während unter der Ausgangsfläche diejenige Flä- ehe verstanden wird, die dafür vorgesehen ist, das konzentrierte Sonnenlicht auf ein vorbestimmtes Volumen bzw. eine vorbestimmte Fläche abzugeben.The present invention relates to a concentrator for concentrating incident light on a predetermined surface or volume with an input surface and an output surface. The entry surface of the concentrator is understood to mean that surface which is intended to receive sunlight, while the exit surface is to be understood to mean the surface which is intended to emit the concentrated sunlight to a predetermined volume or a predetermined surface.
Insbesondere in der Photovoltaik-Technik besteht ein großer Bedarf an Konzentratoren. Obwohl der Preis für die sogenannten Solarzellen in den letzten Jahren deutlich gesunken ist, ist der Solarstrom immer noch deutlich teurer als der aus herkömmlichen Kraftwerken erhältliche. Auf dem Markt befindliche Solarzellen könnten prinzipiell einer erheblich größeren Lichtdichte ausgesetzt werden. Die Grenze wird dabei im wesentlichen nur durch die Wärmeentwicklung aufgrund von nicht in Strom umgewandelter Energie bestimmt. Würde eine Solarzelle beispielsweise mit einer etwa dreimal größeren Lichtdichte belastet, so könnte mit derselben Solarzelle in etwa die dreifache Strommenge erzeugt werden. Die Solarstromerzeugungskosten wären dann erheblich niedriger und könnten mit herkömmlichem Kraftwerksstrom konkurrieren.There is a great need for concentrators in particular in photovoltaic technology. Although the price of so-called solar cells has dropped significantly in recent years, solar power is still significantly more expensive than that available from conventional power plants. In principle, solar cells on the market could be exposed to a significantly higher light density. The limit is essentially determined only by the heat development due to energy not converted into electricity. If, for example, a solar cell were loaded with an approximately three times greater light density, approximately three times the amount of electricity could be generated with the same solar cell. The solar power generation costs would then be significantly lower and could compete with conventional power plant electricity.
Um die Lichtdichte zu erhöhen, kommen bereits statische Konzentratoren zum Einsatz. Dabei wird die einfallende, direkte Strahlung mittels einer Optik auf eine Solarzelle konzentriert. Als Optik kom- men bereits sowohl abbildende Systeme (z. B. klassische Linsen, Fresnellinsen aber auch Hohlspiegel) als auch nicht abbildende Systeme (z. B. 3D-θιn0urKonzentratoren) zum Einsatz.Static concentrators are already used to increase the light density. The incident direct radiation is concentrated on a solar cell using optics. Both imaging systems (eg classic lenses, Fresnel lenses but also concave mirrors) and non-imaging systems (eg 3D-θ ιn / θ 0u r concentrators) are already used as optics.
Obgleich mit einer Optik meist nur ein Wirkungsgrad bis zu 80-90% erzielt wird, kann die Lichtdichte dadurch dennoch erheblich gesteigert werden.Although optics usually only achieve an efficiency of up to 80-90%, the light density can nevertheless be increased considerably.
Die bekannten Konzentratormodule sind jedoch nur in der Lage, direktes Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Der Diffusanteil des Sonnenlichts kann jedoch durchaus bis zu 50% betragen, d.h. mit den bekannten Konzentratoren kann nur zwischen 50 und maximal 90% der Gesamtsolarstrahlung konzentriert werden. Aus diesem Grunde sind bereits nachgeführte Systeme auf dem Markt, die Solarzelle samt Konzentrator entsprechend dem Sonnenverlauf ausrichten. Markt, die Solarzelle samt Konzentrator entsprechend dem Sonnenverlauf ausrichten. Dadurch ist gewährleistet, daß das Verhältnis von Direktstrahlung zu Gesamtstrahlung optimiert wird. Dennoch kann auch hier die Diffusstrahlung nicht genutzt werden. Zudem sind die nachgeführten Systeme aufgrund der notwendigen beweglichen Mechanik wartungsintensiv.However, the known concentrator modules are only able to convert direct sunlight into electrical energy. However, the diffuse fraction of sunlight can be up to 50%, ie with the known concentrators only between 50 and a maximum of 90% of the total solar radiation can be concentrated. For this reason, there are already tracked systems on the market that align the solar cell and concentrator according to the course of the sun. Markt, align the solar cell and concentrator according to the course of the sun. This ensures that the ratio of direct radiation to total radiation is optimized. However, the diffuse radiation cannot be used here either. In addition, the tracked systems are maintenance-intensive due to the necessary moving mechanics.
Es sind bereits Anordnungen von keilförmigen optischen Körpern vorgeschlagen worden, um neben Direktstrahlung auch Diffusstrahlung zu konzentrieren. Durch die keilförmigen optischen Körper kann zwar der Öffnungswinkel der einfallenden Strahlung deutlich reduziert werden, das an der bzw. den Ausgangsflächen austretende Licht ist jedoch nicht ausreichend „quasiparallel", so daß zwar Direktstrahlung und Diffusstrahlung, die im allgemeinen mit einem Öffnungswinkel von etwa 180° auf die Eingangsfläche des Konzentrators trifft, auf einen deutlich kleineren Öffnungswinkelbereich reduziert wird, die Fläche, auf die das aus der oder den Ausgangsflächen des Keils tretende Licht abgebildet wird, aber nicht kleiner, sondern größer als die Eingangsfläche geworden ist. Auch die Anordnung von mehreren keilförmigen Elementen nebeneinander ist nicht realisierbar, da Teile des aus den Ausgangsflächen des Konzentrators austretenden Lichts in die benachbarten keilförmigen Elemente eintreten kann und dort sehr ungünstig abgelenkt wird und für die Konzentration nicht mehr zur Verfügung steht.Arrangements of wedge-shaped optical bodies have already been proposed in order to concentrate diffuse radiation in addition to direct radiation. The wedge-shaped optical body can indeed significantly reduce the opening angle of the incident radiation, but the light emerging at the exit surface or surfaces is not sufficiently "quasi-parallel", so that direct radiation and diffuse radiation, which generally have an opening angle of approximately 180 ° strikes the input surface of the concentrator, is reduced to a significantly smaller opening angle range, the surface onto which the light emerging from the output surface or surfaces of the wedge is imaged, but has not become smaller but larger than the input surface, including the arrangement of several Wedge-shaped elements next to one another cannot be realized, since parts of the light emerging from the exit surfaces of the concentrator can enter the neighboring wedge-shaped elements and are deflected there very unfavorably and are no longer available for concentration.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen statischen Konzentrator bereit- zustellen, der in der Lage ist, neben Direktstrahlung auch Diffusstrahlung mit einem hohen Wirkungsgrad zu konzentrieren.The present invention is therefore based on the object of providing a static concentrator which is capable of concentrating diffuse radiation with high efficiency in addition to direct radiation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Konzentrator sowohl ein winkelreduzierendes Element als auch ein flächenreduzierendes Element aufweist, wobei das flächenreduzie- rende Element dem winkelreduzierenden Element vorgeschaltet ist. Mit anderen Worten durchläuft das auf die Eingangsfläche des Konzentrators auftreffende Licht zunächst das flächenreduzierende Element und erst danach das winkelreduzierende Element, bevor es aus der oder den Ausgangsflächen des Konzentrators austritt. Als winkelreduzierendes Element kann beispielsweise der eingangs genannte Keil verwendet werden. Es sind aber selbstverständlich auch andere winkelreduzierende Elemente, wie z.B. ein kegelförmiger optischer Körper, verwendbar. Das flächenreduzierende Element kann jede beliebige abbildende oder auch nicht abbildende Optik oder ein optischer Körper sein, der eine Eingangsfläche hat, die größer als seine Ausgangsfläche ist. Dem winkelreduzierenden Element kann beispielsweise eine Fokussiereinrichtung, wie z.B. eine Linse nachgeschaltet sein.This object is achieved in that the concentrator has both an angle-reducing element and an area-reducing element, the area-reducing element being connected upstream of the angle-reducing element. In other words, the light incident on the input surface of the concentrator first passes through the area-reducing element and only then through the angle-reducing element before it emerges from the output surface or outputs of the concentrator. For example, the wedge mentioned at the beginning can be used as the angle-reducing element. Of course, there are also other angle-reducing elements, such as a conical optical body, usable. The area-reducing element can be any imaging or non-imaging optics or an optical body that has an input surface that is larger than its output surface. The angle-reducing element can, for example, be a focusing device, e.g. be followed by a lens.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das flächenreduzierende Element einen optischen Körper, vorzugsweise in Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes, aufweist, dessen Querschnitt sich in Strahlrichtung verjüngt. Das Licht wird dadurch in dem optischen Körper geführt, bis es das flächenreduzierende Element an seiner verjüngten Ausgangsfläche ver- läßt. Da der Konzentrator für die Konzentration von Sonnenlicht vorgesehen ist, wird er im allgemeinen derart angeordnet sein, daß die Eingangsfläche nach oben und die Ausgangsfläche nach unten weist. Selbstverständlich kann der Konzentrator jedoch auch in jeder beliebigen anderen Orientierung mit Vorteil eingesetzt werden. So ist es beispielsweise möglich, das Sonnenlicht zunächst mit einer Umlenkoptik umzulenken, so daß dann die Eingangsfläche nicht mehr oben und die Ausgangsfläche nicht mehr unten angeordnet ist. Wenn im folgenden dennoch von oben und unten die Rede ist, so soll unter oben immer in Richtung der Eingangsfläche und unter unten immer in Richtung der Ausgangsfläche verstanden werden.An embodiment is particularly preferred in which the area-reducing element has an optical body, preferably in the form of a truncated cone or a truncated pyramid, the cross section of which tapers in the beam direction. As a result, the light is guided in the optical body until it tapes the area-reducing element on its tapered starting surface. leaves. Since the concentrator is intended for the concentration of sunlight, it will generally be arranged with the input surface facing up and the output surface facing down. Of course, however, the concentrator can also be used advantageously in any other orientation. For example, it is possible to first deflect the sunlight with a deflecting optic, so that the input surface is then no longer arranged at the top and the output surface is no longer arranged at the bottom. If in the following there is nevertheless talk of above and below, above should always be understood in the direction of the entrance surface and below always in the direction of the exit surface.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, daß der optische Körper des flächenreduzierenden Elements im oberen Bereich seiner Mantelfläche verspiegelt ist. Diese Maßnahme hat zur Folge, daß zumindest die Lichtstrahlen, die im oberen Bereich des flächenreduzierenden Elements mit der optischen Achse einen großen Winkel einschließen, den optischen Körper im oberen Bereich des flächenreduzierenden Elements nicht an der Seite verlassen können. Die Lichtstrahlen werden vielmehr an der Mantelfläche gespiegelt und zurück in den optischen Körper geleitet. Durch die Reflexion an der verspiegelten Außenfläche des sich verjüngenden optischen Körpers wird jedoch der Winkel des reflektierten Lichtstrahls gegenüber der optischen Achse vergrößert. Wird der Winkel des Lichtstrahls zu groß, so wird das Licht die Richtung umkehren und wieder zu der Eingangsfläche des flächenreduzierenden Elements zurückgespiegelt. Daher ist es nicht vorteilhaft, den sich verjüngen- den optischen Körper des flächenreduzierenden Elements ohne zusätzliche Maßnahmen auch im unteren Bereich an der Mantelfläche verspiegelt auszuführen. Die Größe des verspiegelten oberen Mantelbereichs wird daher vorzugsweise so bemessen, daß selbst Licht, das mit einem großen Winkel zur Vertikalen auf die Eingangsfläche des flächenreduzierenden Elements auftritt, von dem flächenreduzierenden Element nicht zurückreflektiert, sondern in Strahlrichtung auf eine reduzierte Fläche abgebildet wird. Dies hat jedoch zur Folge, daß unter Umständen im unteren Bereich des flächenreduzierenden Elements Lichtstrahlen seitlich aus dem flächenreduzierenden Element austreten können.A particularly expedient embodiment provides that the optical body of the area-reducing element is mirrored in the upper region of its outer surface. The result of this measure is that at least the light rays, which form a large angle with the optical axis in the upper region of the area-reducing element, cannot leave the optical body in the upper area of the area-reducing element on the side. Rather, the light rays are reflected on the lateral surface and directed back into the optical body. Due to the reflection on the mirrored outer surface of the tapered optical body, however, the angle of the reflected light beam with respect to the optical axis is increased. If the angle of the light beam becomes too large, the light will reverse the direction and be reflected back to the entrance surface of the area-reducing element. It is therefore not advantageous to make the tapered optical body of the area-reducing element mirrored on the outer surface even in the lower region without additional measures. The size of the mirrored upper cladding area is therefore preferably dimensioned such that even light that occurs at a large angle to the vertical on the input surface of the area-reducing element is not reflected back by the area-reducing element, but is instead imaged onto a reduced area in the beam direction. However, this has the consequence that light beams can emerge laterally from the area-reducing element in the lower region of the area-reducing element.
Aus diesem Grunde wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß an den Seiten- wänden des optischen Körpers zumindest ein Prisma bzw. ein winkeländerndes Element angeordnet ist, wobei der Brechungsindex ni des Prismas größer als 1 ist. Da unter einem optischen Körper auch ein Prisma verstanden werden kann, wird im folgenden der optische Körper auch als Hauptkörper im Gegensatz zu den an den Seitenwänden des Hauptkörpers angeordneten Prismen bezeichnet. Durch den mindestens einen zusätzlichen optischen Körper in Prismenform wird das even- tuell im unteren Bereich des flächenreduzierenden Elements aus der Seitenwand des Hauptkörpers austretende Licht derart gebrochen, daß der Winkel, den das gebrochene Licht mit der optischen Achse einschließt, kleiner ist als der Winkel des den optischen Hauptkörper an seiner Seitenwand verlassenden Lichtstrahls mit der optischen Achse einschließt. Es versteht sich, daß das winkelän- dernde Element nicht notwendigerweise ein Prisma sein muß. Mit Erfolg kommt hier auch ein Gitter, insbesondere ein Echellette-Gitter, zur Anwendung.For this reason, it is provided in a preferred embodiment that at least one prism or an angle-changing element is arranged on the side walls of the optical body, the refractive index ni of the prism being greater than 1. Since an optical body can also be understood to mean a prism, the optical body is also referred to below as the main body in contrast to the prisms arranged on the side walls of the main body. The at least one additional optical body in the form of a prism refracts the light which may emerge from the side wall of the main body in the lower region of the area-reducing element in such a way that the angle which the refracted light encloses with the optical axis is smaller than the angle of the encloses the optical main body on its side wall leaving light beam with the optical axis. It goes without saying that the angular the element does not necessarily have to be a prism. A grating, in particular an Echellette grating, is also successfully used here.
Es versteht sich, daß das flächenreduzierende Element auch winkelreduzierende Wirkung haben kann. Am Ausgang des flächenreduzierenden Elements kann die Strahlungsintensität für Strahlen, die mit der optischen Hauptachse einen von Null verschiedenen Winkel einschließen, maximal sein. Bei einer besonderen Ausführungsform kann vorgesehen werden, daß die Abweichung (Streuung) einiger Strahlenwinkel von dem Strahlenwinkel mit maximaler Intensität reduziert wird. Mit anderen Worten wird die Winkelaufweitung des einfallenden Strahles reduziert. Dies kann wiederum genutzt werden, den winkelreduzierenden Teil als winkel-transformierenden Teil auszuführen, welches Licht, das mit dem Strahlenwinkel der maximalen Intensität einfällt, zur Hauptachse hin bricht, so daß vorzugsweise die Strahlen maximaler Intensität parallel zur optischen Hauptachse verlaufen. Das Verhältnis von Eingangsfläche zu Ausgangsfläche dieses Winkeltransformators ist sehr günstig, da es fast 1 beträgt. Ist die winkelreduzierende Wirkung im flächenreduzierenden Element groß genug, so kann das winkelreduzierende Element auch lediglich ein winkeltransformierendes Element sein.It goes without saying that the area-reducing element can also have an angle-reducing effect. At the output of the area-reducing element, the radiation intensity can be maximum for rays which form an angle other than zero with the main optical axis. In a special embodiment it can be provided that the deviation (scatter) of some beam angles from the beam angle is reduced with maximum intensity. In other words, the angular expansion of the incident beam is reduced. This in turn can be used to design the angle-reducing part as an angle-transforming part, which refracts light that is incident with the beam angle of the maximum intensity towards the main axis, so that preferably the beams of maximum intensity run parallel to the optical main axis. The ratio of the input area to the output area of this angular transformer is very favorable since it is almost 1. If the angle-reducing effect in the area-reducing element is large enough, the angle-reducing element can also simply be an angle-transforming element.
Vorzugsweise wird an der Seitenwand nicht nur ein Prisma, sondern eine ganze Reihe von Prismen angeordnet. Diese Prismen sind mit Vorteil periodisch von oben nach unten auf der Seitenwand des optischen Hauptkörpers angeordnet. Selbstverständlich ist es auch möglich, in einer Richtung senk- recht zur optischen Hauptachse mehrere Prismen nebeneinander anzuordnen. Es können beispielsweise identische Prismen periodisch angeordnet werden. Es ist aber auch möglich, Prismen mit unterschiedlichen Größen nebeneinander anzuordnen. Die Prismen müssen auch nicht notwendigerweise in etwa kreisförmig den optischen Hauptkörper umgebend angeordnet sein, sondern können beispielsweise auch spiralförmig entlang der Außenwand des optischen Hauptkörpers an- geordnet werden. Es versteht sich, daß der optische Körper auch den Brechungsindex 1 haben kann, d.h. aus Luft gebildet werden. In diesem Fall kommt es nur auf die Anordnung der Prismen an. Die Prismen können im übrigen auch innerhalb des flächenreduzierenden Körpers angeordnet sein. In diesem Fall muß sich jedoch der Brechungsindex der Prismen von dem Brechungsindex des optischen Hauptkörpers unterscheiden.Preferably not only a prism but a whole row of prisms is arranged on the side wall. These prisms are advantageously arranged periodically from top to bottom on the side wall of the main optical body. Of course, it is also possible to arrange several prisms next to one another in a direction perpendicular to the main optical axis. For example, identical prisms can be arranged periodically. However, it is also possible to arrange prisms with different sizes next to one another. The prisms do not necessarily have to be arranged in an approximately circular manner surrounding the optical main body, but can, for example, also be arranged in a spiral along the outer wall of the optical main body. It is understood that the optical body can also have the refractive index 1, i.e. be made of air. In this case, it only depends on the arrangement of the prisms. The prisms can also be arranged inside the area-reducing body. In this case, however, the refractive index of the prisms must be different from the refractive index of the main optical body.
Die Prismen können beispielsweise einstückig mit dem optischen Körper ausgebildet sein. In diesem Fall werden die Seitenwände der Prismen beispielsweise durch vorzugsweise nicht parallele Einschnitte in die Außenwand des Hauptkörpers gebildet.The prisms can, for example, be formed in one piece with the optical body. In this case, the side walls of the prisms are formed, for example, by preferably non-parallel incisions in the outer wall of the main body.
Bevorzugt ist allerdings eine Ausführungsform, bei der das zumindest eine Prisma nicht einstückig mit dem Hauptkörper ausgebildet ist. Mit Vorteil ist zwischen dem optischen Hauptkörper und dem Prisma ein Spalt vorgesehen. Hat der Spalt zudem keine kontinuierliche Breite, so kann der Übergang vom optisch dichteren in das optisch dünnere Medium, das heißt von dem optischen Hauptkörper in Luft, und der anschließende Übergang vom optisch dünneren in das optisch dickere Medi- um, das heißt von Luft in das benachbart angeordnete Prisma, benutzt werden, um den Winkel zwischen dem aus dem optischen Hauptkörper austretendem Lichtstrahl und der optischen Hauptachse zu verringern. Das zumindest eine Prisma ist vorzugsweise so angeordnet, daß die Spitze des Prismas in etwa nach oben ausgerichtet ist. Die Spitze weist vorzugsweise einen Spitzenwinkel von weniger als 90° auf.However, an embodiment is preferred in which the at least one prism is not formed in one piece with the main body. A gap is advantageously provided between the optical main body and the prism. If the gap also does not have a continuous width, the transition from the optically denser to the optically thinner medium, that is to say from the main optical body in air, and the subsequent transition from the optically thinner to the optically thicker medium um, that is, of air into the adjacent prism, to reduce the angle between the light beam emerging from the main optical body and the main optical axis. The at least one prism is preferably arranged such that the tip of the prism is oriented approximately upwards. The tip preferably has a tip angle of less than 90 °.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, daß die Seitenwände des flächenreduzierenden Elements verspiegelt sind, wobei sich das zumindest eine Prisma zwischen optischem Hauptkörper und der Verspiegelung befindet. Je nach Anwendungsfall kann die Verspiegelung da- durch erfolgen, daß zumindest eine nach Außen gerichtete Seite des Prismas verspiegelt ist oder durch Vorsehen einer separaten Verspiegelung, z. B. in Form einer das flächenreduzierende Element umgebenden reflektierenden Folie. Vorzugsweise ist die Verspiegelung in etwa parallel zur Oberfläche des Hauptkörpers angeordnet. Durch die Anordnung der Prismen an der Außenwand des optischen Körpers ist es nun möglich, die Verspiegelung auch bis in den unteren Bereich des flächenreduzierenden Elements fortzusetzen. Durch die Prismenanordnung wird erreicht, daß sich die Winkel, den die Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einnehmen bei der Reflexion an bzw. außerhalb der Außenwand des optischen Körpers nicht weiter vergrößern. Der Rückstrahleffekt eines verspiegelten Trichter wird so vermieden.A particularly expedient embodiment provides that the side walls of the area-reducing element are mirrored, the at least one prism being located between the optical main body and the mirroring. Depending on the application, the mirroring can be done by mirroring at least one outward side of the prism or by providing a separate mirroring, e.g. B. in the form of a reflecting film surrounding the area-reducing element. The mirroring is preferably arranged approximately parallel to the surface of the main body. By arranging the prisms on the outer wall of the optical body, it is now possible to continue the mirroring down to the lower area of the area-reducing element. The prism arrangement ensures that the angles which the light rays make with the main optical axis do not increase any further during reflection on or outside the outer wall of the optical body. The retroreflective effect of a mirrored funnel is avoided.
Durch die Verspiegelung kommt es zu einer Reflexion des aus dem optischen Hauptkörper austretenden Lichts an der verspiegelten Fläche. Es ist daher nicht unbedingt notwendig, daß die Eingangsspitze des Prismas der Außenwand des optischen Körpers zugewandt ist. Vielmehr kann das Licht auch, nachdem es aus der Außenwand des optischen Körpers ausgetreten ist, zunächst an der verspiegelten Fläche reflektiert werden und dann im Bereich der Eingangsspitze des Prismas in die- ses eintreten. Wesentlich ist lediglich, daß das Prisma derart angeordnet ist, daß das aus dem optischen Hauptkörper austretende Licht entweder direkt oder nach der Reflexion im wesentlichen im Bereich der Eingangsspitze in das Prisma eintritt und nicht etwa im Bereich der der Eingangsspitze abgewandten Fläche.The mirroring results in a reflection of the light emerging from the main optical body on the mirrored surface. It is therefore not absolutely necessary for the input tip of the prism to face the outer wall of the optical body. Rather, even after the light has emerged from the outer wall of the optical body, it can first be reflected on the mirrored surface and then enter it in the region of the input tip of the prism. It is only essential that the prism is arranged in such a way that the light emerging from the main optical body enters the prism either directly or after reflection essentially in the area of the input tip and not in the area of the surface facing away from the input tip.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzentrators sieht vor, daß eine Seite des zumindest einen Prismas so angeordnet ist, daß möglichst alle in das Prisma eingetretenen Lichtstrahlen an der dem optischen Hauptkörper abgewandten Seite des Prismas totalreflektiert werden, d. h. nach unten umgelenkt werden. Dazu sollte die von dem Hauptkörper abgewandte Seite des Prisma mit der optischen Hauptachse einen Winkel α einschließen, für den a ≥ aresin [(sin( δmM ) — ] gilt, wobei n0 der Brechungsindex des die Seitenfläche umgebenden n ιA particularly expedient embodiment of the concentrator according to the invention provides that one side of the at least one prism is arranged in such a way that as far as possible all light rays that have entered the prism are totally reflected on the side of the prism facing away from the optical main body, that is to say are deflected downward. For this purpose, the side of the prism facing away from the main body should enclose an angle α with the main optical axis for which a ≥ aresin [(sin (δ mM ) -] applies, where n 0 is the refractive index of the n ι surrounding the side surface
Mediums ist, d.h. z.B. 1 für Luft, n^ der Brechungsindex des Prismas ist und δmax der größte Winkel ist, den die an der dem Hauptkörper zugewandten Seite des Prismas in dieses eingetretenen Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einschließen. Dieser speziell orientierten Seite dieser Aus- führungsform kommt dabei eine wesentliche Bedeutung zu. Durch die Totalreflexion der Lichtstrahlen, die einen großen Winkel mit der optischen Hauptachse einschließen, wird nämlich erreicht, daß diese Lichtstrahlen nicht zu der Eingangsfläche zurückgespiegelt werden, sondern, wenn Sie zurück in den optischen Hauptkörper geführt werden, immer einen Winkel kleiner als 90° mit der optischen Hauptachse einschließen.Medium is, ie 1 for air, n ^ is the refractive index of the prism and δ max is the largest angle which the light rays entering the main body facing the main body enclose with the main optical axis. This specially oriented side of this form of management is of crucial importance. The total reflection of the light rays, which enclose a large angle with the main optical axis, means that these light rays are not reflected back to the input surface, but, when they are guided back into the main optical body, always have an angle of less than 90 ° the main optical axis.
Eine andere Möglichkeit dies zu erreichen, wird in einer anderen bevorzugten Ausführungsform verwirklicht. Es ist nämlich auch möglich, Prismen mit einer verspiegelten Fläche an bzw. in der Nähe der Außenwand des optischen Körpers anzuordnen. Dabei ist das Prisma mit Vorteil derart an- geordnet, daß eine Spitze, die Eingangspitze im wesentlichen nach oben ausgerichtet ist, und die verspiegelte Fläche, die an der dem optischen Hauptkörper abgewandten Seite des Prismas angeordnet sein sollte, in etwa parallel zur optischen Hauptachse ausgerichtet ist. Da beim Durchgang von Licht durch ein Prisma das Licht immer von der brechenden Kante weggebrochen wird, wird durch die Kombination des Prismas mit der Verspiegelung erreicht, daß der Winkel den das in das Prisma eintretenden Licht mit der optischen Hauptachse einnimmt, größer ist als der Winkel den das aus dem Prisma austretende Licht mit der optischen Hauptachse einnimmt.Another way of achieving this is realized in another preferred embodiment. Namely, it is also possible to arrange prisms with a mirrored surface on or near the outer wall of the optical body. The prism is advantageously arranged such that a tip, the input tip is oriented essentially upwards, and the mirrored surface, which should be arranged on the side of the prism facing away from the main optical body, is aligned approximately parallel to the main optical axis is. Since the light is always broken away from the refractive edge when light passes through a prism, the combination of the prism with the mirroring ensures that the angle that the light entering the prism makes with the main optical axis is greater than the angle which the light emerging from the prism occupies with the main optical axis.
Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, wenn an einer der der Eingangsspitze abgewandten Seite zumindest eines Prismas ein zweites Prisma angeordnet ist, wobei das zweite Prisma einen Brechungsindex n2 hat, der kleiner als der Brechungsindex n, des zumindest einen Prismas ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß unter Umständen manche Lichtstrahlen an der der Eingangsspitze abgewandten Seite des Prismas derart ungünstig auftreffen, daß sie nicht transmit- tieren, sondern totalreflektiert werden. Durch die Anordnung eines zweiten Prismas mit einem etwas geringeren Brechungsindex wird der Grenzwinkel der Totalreflexion herabgesetzt, so daß auch die ungünstig verlaufenden Lichtstrahlen aus dem ersten Prisma in das zweite Prisma gelangen können. Wesentlich ist, daß zumindest einige Lichtstrahlen von dem Prisma mit dem Brechungsindex ^ direkt in das Prisma mit dem Brechungsindex n2 eintreten können. Dieses zweite Prisma ist vorzugsweise so angeordnet, daß eine Spitze im wesentlichen nach unten zeigt. Mit Vorteil ist diese Spitze zusätzlich in Richtung des Hauptkörpers geneigt. Die Übergangsfläche zwischen benachbar- ten Prismen muß nicht geradflächig sein. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß der Übergang von dem Prisma mit niedrigerem Brechungsindex in ein darunter liegendes Prisma mit größerem Brechungsindex zu einer Verschlechterung des Strahlenverlaufs führt. Dies wird aber durch den Spitzenwinkel des darunter liegenden Prismas kompensiert.For some applications it can be advantageous if a second prism is arranged on one side of at least one prism facing away from the input tip, the second prism having a refractive index n 2 that is smaller than the refractive index n of the at least one prism. It has been shown that under certain circumstances some light rays hit the side of the prism facing away from the input tip so unfavorably that they do not transmit, but are totally reflected. By arranging a second prism with a somewhat lower refractive index, the critical angle of the total reflection is reduced, so that the unfavorably extending light rays from the first prism can reach the second prism. It is essential that at least some light rays from the prism with the refractive index ^ can enter directly into the prism with the refractive index n 2 . This second prism is preferably arranged so that a tip points substantially downwards. This tip is also advantageously inclined in the direction of the main body. The transition surface between adjacent prisms does not have to be straight. It should be noted at this point that the transition from the prism with a lower refractive index to an underlying prism with a larger refractive index leads to a deterioration in the beam path. However, this is compensated for by the tip angle of the prism below.
Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, daß der brechende Winkel φ, das heißt der Spitzenwinkel φ, so groß gewählt wird, daß das in das Prisma eintretende Licht nicht an den Seitenflächen austreten kann, die der Eingangsspitze benachbart sind. Vielmehr werden die eingetretenen Lichtstrahlen an diesen Seitenflächen total reflektiert. Um Prismen mit kleinerem brechendem Winkel verwenden zu können, kann es von Vorteil sein, wenn zumindest eine Seitenfläche, die an die Eingangsspitze grenzt, verspiegelt ist und für den brechenden Eingangswinkel gilt:For some applications it can be advantageous that the refractive angle φ, that is to say the tip angle φ, is chosen to be so large that the light entering the prism cannot exit at the side surfaces which are adjacent to the input tip. Rather, the light rays that have entered are totally reflected on these side surfaces. In order to be able to use prisms with a smaller refractive angle, it can be advantageous if at least one side surface that borders on the entrance tip is mirrored and applies to the refractive entrance angle:
φ > arcsin —φ> arcsin -
wobei der Brechungsindex des Prismas ist und n0 der Brechungsindex des das Prisma im wesentlichen im Einstrahlbereich umgebenden Mediums ist. Durch die Verwendung solcher Prismen kann das Licht in den Prismen, ähnlich der Lichtleitung in Glasfasern, geführt werden. So wie auch Glasfasern zu einem gewissen Grade gekrümmt werden können, kann auch das Prisma , Knickstellen' oder , Biegestellen' aufweisen, so daß das im Prisma geführte Licht mit der optischen Hauptachse einen kleineren Winkel einschließt. Unter den Knick- und Biegestellen wird selbstverständlich nicht verstanden, daß hier lokale Verzerrungen des Materials auftreten, eine Knickstelle könnte vielmehr beispielsweise dadurch entstehen, daß zumindest eine Seitenfläche des Prismas abgewin- kelt ist.the refractive index of the prism and n 0 being the refractive index of the medium essentially surrounding the prism in the irradiation area. By using such prisms, the light can be guided in the prisms, similar to the light guide in glass fibers. Just as glass fibers can be curved to a certain degree, the prism can also have 'kinks' or 'bending points' so that the light guided in the prism forms a smaller angle with the main optical axis. The bending and bending points are of course not to be understood to mean that local distortions of the material occur here. A bending point could rather arise, for example, by angled at least one side surface of the prism.
Eine weitere Ausführungsform wird durch die Verwendung von Echelette-Gitter für die Reflexionswand des optischen Hauptkörpers verwirklicht. Im Gegensatz zum Spaltgitter, bei dem die Lichtintensität auf verschiedene Peaks verteilt ist, wobei der zentrale Peak der mit der größten Intensität darstellt, wird beim Echelette-Gitter versucht, die gesamte Lichtintensität in einer Beugungsordnung zu konzentrieren. Dazu wird die Geometrie des Echelette-Gitters derart gewählt, daß das gewünschte Beugungsmaximum der maximalen Intensität eine Ordnung m, die von Null verschieden ist, hat, indem die verschiedenen reflektierenden Gitterelemente um den sogenannten blaze-Winkel geneigt werden. Die Winkelbreite der Beugungsfigur des Gitterelements ist dabei gleich der Winkelentfer- nung zwischen zwei Hauptmaxima des Beugungsbildes des Gitters.Another embodiment is realized by using Echelette gratings for the reflection wall of the main optical body. In contrast to the slit grating, in which the light intensity is distributed over different peaks, the central peak being the one with the greatest intensity, the Echelette grating tries to concentrate the entire light intensity in a diffraction order. For this purpose, the geometry of the echelette grating is chosen such that the desired diffraction maximum of the maximum intensity has an order m, which is different from zero, by inclining the various reflecting grating elements by the so-called blaze angle. The angular width of the diffraction figure of the grating element is equal to the angular distance between two main maxima of the diffraction pattern of the grating.
Sind die Flächen einer Gitterebenen ein rechtwinkliges Dreieck, so kann man eine Konzentrierung von 70% des einfallenden Lichtes auf eine Ordnung erhalten.If the surfaces of a grating plane are a right-angled triangle, a concentration of 70% of the incident light on an order can be obtained.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des Konzentrators sieht vor, daß die Eingangsfläche des flächenreduzierenden Elements nicht eben ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß dem flächenreduzierenden Element ein Aufnahmeelement im wesentlichen in Form von sich in Strahlrichtung verengenden optischen Körpern vorgeschaltet ist. Durch diese besondere Ausgestaltung des Eingangsbereichs des Konzentrators wird erreicht, daß der Winkel des in dem optischen Hauptkörper des flächenreduzierenden Elements geführten Lichtstrahls zu der Hauptachse optimiert wird. Durch das erfindungsgemäße flächenreduzierende Element wird das auf die Eingangsfläche des Konzentrators fallende Licht auf die Eingangsfläche des winkelreduzierenden Elements abgebildet, wobei die Fläche des winkelreduzierenden Elements deutlich kleiner ist als die Eingangsfläche des Konzentrators. Dies wird z.B. durch den beschriebenen konusförmigen optischen Hauptkörper, vor- zugsweise aus massivem (Plexi-)Glas, der von einer speziellen Reflexionswand umgeben ist, welche die aus dem Konus kommenden Strahlen zurückreflektiert, verwirklicht. Diese spezielle Reflexionswand besteht im oberen Bereich des konusförmigen optischen Körpers lediglich aus einer verspiegelten Wand. Im unteren Bereich besteht die Reflexionswand jedoch aus mehreren Prismen, die an der Außenseite der Konuswand angeordnet sind und die vorzugsweise von einer reflektierenden Schicht umgeben werden. Diese "Prismenwand" sorgt dafür, daß im unteren Bereich des flächenreduzierenden Elements Lichtstrahlen nicht mehr dem normalen Reflexionsgesetz (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) folgen, sondern daß der Ausfallswinkel kleiner als der Einfallswinkel ist. Dies wird durch Lichtbrechung, Totalreflexion und Reflexion an verspiegelten Flächen erreicht, die einzeln oder in Kombination zueinander wirken.A particularly expedient embodiment of the concentrator provides that the input surface of the area-reducing element is not flat. This can be achieved, for example, by placing a receiving element upstream of the area-reducing element essentially in the form of optical bodies narrowing in the beam direction. This particular configuration of the input area of the concentrator ensures that the angle of the light beam guided in the main optical body of the area-reducing element to the main axis is optimized. With the surface-reducing element according to the invention, the light falling on the input surface of the concentrator is imaged on the input surface of the angle-reducing element, the surface of the angle-reducing element being significantly smaller than the input surface of the concentrator. This is achieved, for example, by the conical optical main body described, preferably made of solid (plexi) glass, which is surrounded by a special reflection wall which reflects back the rays coming out of the cone. This special reflection wall consists only of a mirrored wall in the upper area of the conical optical body. In the lower area, however, the reflection wall consists of several prisms which are arranged on the outside of the cone wall and which are preferably surrounded by a reflective layer. This "prism wall" ensures that light beams no longer follow the normal reflection law (angle of incidence = angle of reflection) in the lower region of the area-reducing element, but that the angle of reflection is smaller than the angle of incidence. This is achieved through light refraction, total reflection and reflection on mirrored surfaces that work individually or in combination with each other.
Für diese Prismenwand gibt es eine Ausgangs-Kennlinie, die die Intensitätsverteilung der Ausgangsstrahlung in Abhängigkeit vom Winkel zeigt. Diese Kennlinien haben oft ein Maximum, d.h. mit anderen Worten einen bevorzugten Ausgangswinkel. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht daher vor, daß die Materialen der Prismenwand so gewählt werden, daß das Maximum möglichst stark ausgeprägt ist.There is an output characteristic for this prism wall, which shows the intensity distribution of the output radiation as a function of the angle. These characteristics often have a maximum, i.e. in other words a preferred starting angle. A preferred embodiment therefore provides that the materials of the prism wall are selected so that the maximum is as strong as possible.
Bei diesen Ausführungsformen ist die flächenreduzierende Wirkung meist etwas geringer. Bei Ausführungsformen, bei denen das Maximum des Ausgangswinkels unabhängig von dem Auftreffpunkt der Eingangsstrahlen auf dem Prisma ist, besitzen die Prismen, insbesondere wenn sie mehrfach durchlaufen werden, was bei der mehrfachen Anordnung an der Wand des optischen Hauptkörpers der Fall ist, ein spezielles Ausstrahlverhalten, nämlich eine Ausstrahlung des Lichtes innerhalb eines relativ schmalen Ausgangswinkelbandes bzw. Ausgangswinkelintervalls. Zwar umfaßt dieses Ausgangswinkelband zunächst nicht die Richtung der optischen Hauptachse, dies kann jedoch mit Hilfe des oben beschriebenen Winkeltransformierers erreicht werden.In these embodiments, the area-reducing effect is usually somewhat less. In embodiments in which the maximum of the output angle is independent of the point of incidence of the input rays on the prism, the prisms, in particular if they are passed through several times, which is the case with the multiple arrangement on the wall of the main optical body, have a special emission behavior, namely a radiation of the light within a relatively narrow exit angle band or exit angle interval. Although this output angle band initially does not include the direction of the main optical axis, this can be achieved with the aid of the angle transformer described above.
Die Ausgangsfläche des flächenreduzierenden Elements ist einem winkelreduzierenden Element, z.B. einem Keil vorgelagert. Dieser Keil kann an einer Seite verspiegelt sein, wobei jedoch vorzugsweise zwischen der verspiegelten Fläche und der Außenseite des Keils ein Abstand vorgesehen ist, der sich in Einfallsrichtung vergrößert. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der an zumindest einer Außenseite des keilförmigen Elements ein Prisma mit einer verspiegelten Außenfläche angeordnet ist, wobei zwischen der Außenfläche des keilförmigen Elements und dem Prisma ein sich in Strahlrichtung vergrößernder Spalt besteht. Bei dieser Ausführungsform hat das Prisma unten eine Abschlußfläche, die in ein weiteres winkelreduzierendes Element führen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform sind in dem keilförmigen Element Einlagerungen vorgesehen, die einen geringeren Brechungsindex haben als das keilförmige Element. Dies führt zu einer weiteren Reduzierung des Winkels zwischen den konzentrierten Lichtstrahlen und der optischen Achse. Vorzugsweise wird auch an der Außenseite des Keils ein zusätzliches Prisma angeordnet. Ein be- vorzugtes Konzentratorelement besteht daher in Strahlrichtung, das heißt von oben nach unten, aus den Elementen Eingangselement, flächenreduzierendes Element, winkelreduzierendes Element, Fokussiereinrichtung und gegebenenfalls Solarzelle. Das Konzentratorelement hat bedingt durch die einzelnen Elemente einen nicht homogenen Querschnitt. Während das Eingangselement einen relativ großen Querschnitt aufweist, wird durch das flächenreduzierende Element der Querschnitt in Strahlrichtung deutlich reduziert, bevor er durch das winkelreduzierende Element wieder leicht erweitert wird. Vorzugsweise werden mehrere Konzentratorelemente nebeneinander angeordnet. Da das fokussierende Element oftmals für achsnahe Strahlen, das heißt Strahlen in der Nähe der optischen Achse, besonders gute fokussierende Eigenschaften hat, kann das fokussierende Element, z.B. eine Linse, mit Vorteil auch mit einem Durchmesser größer als die Eingangsfläche des Aufnah- meelements gewählt werden, wenn benachbarte Konzentratorelemente in der Höhe versetzt angeordnet werden. Dies hat zur Folge, daß das fokussierende Element gerade in der Höhe angeordnet ist, in der das benachbarte Konzentratorelement sein flächenreduzierendes Element hat, d.h. seinen .eingeschnürten' Bereich hat.The starting surface of the area-reducing element is in front of an angle-reducing element, for example a wedge. This wedge can be mirrored on one side, but a distance is preferably provided between the mirrored surface and the outside of the wedge, which increases in the direction of incidence. However, an embodiment is particularly preferred in which a prism with a mirrored outer surface is arranged on at least one outer side of the wedge-shaped element, a gap increasing in the beam direction being present between the outer surface of the wedge-shaped element and the prism. In this embodiment, the prism has an end surface at the bottom which can lead into a further angle-reducing element. In a preferred embodiment, inclusions are provided in the wedge-shaped element which have a lower refractive index than the wedge-shaped element. This leads to a further reduction in the angle between the concentrated light rays and the optical axis. An additional prism is preferably also arranged on the outside of the wedge. A preferred concentrator element in the beam direction, ie from top to bottom, therefore consists of the elements input element, area-reducing element, angle-reducing element, focusing device and, if appropriate, solar cell. The concentrator element has a non-homogeneous cross section due to the individual elements. While the input element has a relatively large cross-section, the cross-section in the beam direction is significantly reduced by the area-reducing element before it is slightly expanded again by the angle-reducing element. A plurality of concentrator elements are preferably arranged next to one another. Since the focusing element often has particularly good focusing properties for near-axis rays, that is to say rays in the vicinity of the optical axis, the focusing element, for example a lens, can advantageously also be selected with a diameter larger than the input surface of the receiving element , when adjacent concentrator elements are arranged offset in height. The result of this is that the focusing element is arranged precisely at the height at which the adjacent concentrator element has its area-reducing element, ie has its "constricted" area.
Der Querschnitt eines Konzentratorelements kann in Aufsicht im Prinzip beliebig sein. Falls nur ein Konzentrator verwendet wird, ist jedoch in der Regel eine runde Querschnittsform vorzuziehen. Werden hingegen mehrere Konzentratoren nebeneinander plaziert, so sind andere Formen, die die zur Verfügung stehende Fläche voll ausnutzen, zu bevorzugen. Besonders bevorzugt ist hier eine sechseckige Querschnittsform, so daß die einzelnen Konzentratorelemente in Form von .Bienenwa- ben' nebeneinander angeordnet werden können.In principle, the cross section of a concentrator element can be arbitrary in supervision. If only one concentrator is used, however, a round cross-sectional shape is usually preferred. If, on the other hand, several concentrators are placed next to each other, other shapes that take full advantage of the available space should be preferred. A hexagonal cross-sectional shape is particularly preferred here, so that the individual concentrator elements can be arranged next to one another in the form of “honeycombs”.
Für manche Anwendungsfälle kann es zudem von Vorteil sein, wenn mehrere Konzentratorelemente hintereinander angeordnet werden. Im Prinzip können beliebig viele Ebenen aus Konzentrator- Elementen hintereinander angeordnet werden.For some applications, it can also be advantageous if several concentrator elements are arranged one behind the other. In principle, any number of levels of concentrator elements can be arranged one behind the other.
In Strahlrichtung nach dem Konzentrator-Element ist vorzugsweise eine Sammellinse angebracht, welche die Strahlen der einzelnen Elemente auf eine Brennfläche, die immer auch eine laterale Ausdehnung hat, konzentriert.A converging lens is preferably attached in the beam direction after the concentrator element and concentrates the beams of the individual elements on a focal surface, which always has a lateral extension.
In dieser Brennfläche oder Brennebene kann eine weitere Schicht aus Konzentrator-Elementen eingefügt werden oder ein Aufnehmer für Lichtstrahlen, der seine Lichtstrahlen an eine Lichtleitung weitergibt, um das Licht an einem anderen Ort, bevorzugt am Rande des Gehäuses, zu wandeln. Wird eine weitere Schicht aus Konzentrator-Elementen eingefügt, so entfallen bei diesen Konzentra- tor-Elementen die flächenreduzierenden Teile. Statt dessen wird lediglich eine Lichtführung zum seitlichen Versetzen benötigt, da von der Brennfläche bzw. -ebene auf die Gesamtfläche ausgedehnt werden kann, um winkelreduzierende Elemente mit größerem Enddurchmesser einsetzen zu können, die dadurch einen kleineren Streuwinkel haben.In this focal surface or focal plane, a further layer of concentrator elements can be inserted or a light beam receiver which transmits its light beams to a light guide in order to convert the light to another location, preferably at the edge of the housing. If a further layer of concentrator elements is inserted, the area-reducing parts are omitted for these concentrator elements. Instead, only a light guide for lateral displacement is required, since the focal surface or plane can be extended to the entire surface in order to be able to use angle-reducing elements with a larger final diameter, which thereby have a smaller scattering angle.
Es versteht sich, daß das Licht in der Brennfläche gewandelt werden muß, sondern es auch weitergeleitet werden kann. Für die Weiterleitung kommen beispielsweise innenverspiegelte Hohlkörper in Frage. Gegebenenfalls können Summierelemente verwendet werden, die das Licht einzelner Lei- tungen zu einer gemeinsamen Leitung zusammenfassen, da hierdurch die Gesamtlänge der Leitungen reduziert werden kann. Optional kann das in den Leitungen geführte Licht vor der Stromwandlung noch einmal mit Konzentrator-Elemente aufgearbeitet werden.It goes without saying that the light in the focal surface must be converted, but it can also be transmitted. Hollow bodies mirrored on the inside, for example, are suitable for forwarding. If necessary, summing elements can be used which combine the light of individual lines into a common line, since this can reduce the overall length of the lines. Optionally, the light guided in the lines can be refurbished with concentrator elements before the current conversion.
Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, wenn vor dem Stromwandler zusätzlich eine Farbtrennung erfolgt, die das Gesamtlicht in seine Spektralfarben zerlegt. Dies kann z. B. durch eine spezielle Beschichtung eines optischen Körpers erfolgen, die an einzelnen Stellen Licht unterschiedlicher Wellenlänge transmittiert bzw. Licht anderer Wellenlänge in den optischen Körper zurückreflektiert. Alternativ dazu könnte die Farbtrennung auch mit Hilfe eines Prismas mit großer Dispersion und entsprechend kleiner Abbe-Zahl erfolgen. Selbstverständlich ist auch eine gestaffelte Ausfüh- rungsform möglich.For some applications, it can be advantageous if there is an additional color separation in front of the current transformer, which separates the total light into its spectral colors. This can e.g. B. done by a special coating of an optical body that transmits light at different points of different wavelengths or reflects light of different wavelengths back into the optical body. Alternatively, the color separation could also be carried out using a prism with a large dispersion and a correspondingly small Abbe number. Of course, a staggered embodiment is also possible.
Die Farbtrennung hat den Vorteil, daß ein farbspezifisches Wandeln des Lichtes in Strom möglich ist, so daß wellenlängen-optimierte Wandler eingesetzt werden können, die einen erheblich höheren Wirkungsgrad aufweisen. Durch geeignete Lichtführung können die wellenlängen-spezifischen Wandler auch nebeneinander angeordnet werden.The color separation has the advantage that a color-specific conversion of the light into electricity is possible, so that wavelength-optimized converters can be used which have a considerably higher efficiency. The wavelength-specific converters can also be arranged next to one another by suitable light guidance.
Vor dem Wandler bzw. den Wandlern kann ein Streulicht-Sammelelement angeordnet werden, welches das Streulicht auf die Brennfläche bringt.A scattered light collecting element can be arranged in front of the converter or converters, which brings the scattered light onto the focal surface.
Die Konzentratorelemente sind vorzugsweise in Zellen untergebracht, deren Wände Bestanteile des Gehäuses sind. Das Gehäuse ist mit Vorteil flexibel aufgebaut, um die Unterkonstruktionen für das Gehäuse entfallen lassen zu können. Eine einfache Anheftung and den Untergrund beispielsweise mit Erdnägeln ist ausreichend.The concentrator elements are preferably accommodated in cells, the walls of which are components of the housing. The housing is advantageously designed to be flexible so that the substructures for the housing can be omitted. A simple attachment to the surface, for example with pegs, is sufficient.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der dazugehörigen Figuren.Further advantages, features and possible uses of the present invention will become clear from the following description of preferred embodiments and the associated figures.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht eines Konzentratorelements,Show it: FIG. 1 shows a schematic view of a concentrator element,
Figuren 2 bis 5 verschiedene Ausführungsformen von Prismenwänden,FIGS. 2 to 5 different embodiments of prism walls,
Figur 6 eine bevorzugte Ausführungsform eines Prismas für eine Prismenwand,FIG. 6 shows a preferred embodiment of a prism for a prism wall,
Figuren 7 und 8 bevorzugte Ausführungsformen eines winkelreduzierenden Elements, Figur 9 eine Ausführungsform eines Summier-Elements,FIGS. 7 and 8 preferred embodiments of an angle-reducing element, FIG. 9 an embodiment of a summing element,
Figur 10 eine schematische Darstellung des Strahlengangs durch einen Absolutwertwandler,FIG. 10 shows a schematic representation of the beam path through an absolute value converter,
Figur 11 eine Ausführungsform einer „NULL-Winkel Unterdrückung" undFIG. 11 shows an embodiment of a “zero angle suppression” and
Figur 12 verschiedene Anordnungsmöglichkeiten von mehreren Konzentratorelemen- ten nebeneinander.Figure 12 different arrangement options of several concentrator elements side by side.
Die vorliegende Erfindung und damit auch die gezeigten Ausführungsformen dienen dazu, Tageslicht, das heißt Diffus- und Direktstrahlung, auf vorzugsweise etwa 1/20 der Ausgangsfläche zu konzentrieren. Diese Konzentration soll möglichst ohne Hilfe von beweglichen Teilen erfolgen. Da der Konzentrator zur Energiegewinnung eingesetzt werden soll, sind oft große Flächen erforderlich. Es ist daher eine Unterteilung der Gesamtfläche in einzelne Zellen von Vorteil, die jeweils ein Konzentratorelement enthalten und deren Fläche ca. 100 cm2 groß ist. In Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Konzentratorelementes 1 gezeigt. Hierbei ist ein flächenreduzierendes Element 3 in Strahlrichtung, das heißt in der Figur 1 von oben nach unten, einem winkelreduzierenden Element 4 vorgeschaltet. Vor den flächenreduzierenden Teil 3 ist hier noch ein Eingangsbereich 2 vorgeschaltet. Das winkelreduzierende Element besteht hier aus einem keilförmigen Element 4 mit einer reflektierenden Ummantelung 5. Im Anschluß an das keilförmige Element 4 ist eine Sammellinse 7 angebracht, die das aus dem Konzentrator austretende Licht auf einen Bereich fokussieren kann.The present invention and thus also the embodiments shown serve to concentrate daylight, that is to say diffuse and direct radiation, on preferably about 1/20 of the starting surface. This concentration should be done without the help of moving parts if possible. Since the concentrator is to be used for energy generation, large areas are often required. It is therefore advantageous to subdivide the total area into individual cells, each of which contains a concentrator element and whose area is approximately 100 cm 2 . The basic structure of a concentrator element 1 is shown in FIG. Here, an area-reducing element 3 is connected upstream of an angle-reducing element 4 in the beam direction, that is to say from top to bottom in FIG. 1. In front of the area-reducing part 3, an input area 2 is connected upstream. The angle-reducing element here consists of a wedge-shaped element 4 with a reflective sheathing 5. Following the wedge-shaped element 4, a collecting lens 7 is attached, which can focus the light emerging from the concentrator onto an area.
Ein der Erfindung zugrunde liegender Gedanke ist, daß das an sich bereits bekannte keilförmige Element 4 für einen Konzentrator verwendet werden kann, wenn diesem ein flächenreduzierendes Element 3 vorgeschaltet wird. Der Aufbau eines flächenreduzierenden Elements wird beispielhaft anhand einiger Ausführungsformen beschrieben.One idea on which the invention is based is that the wedge-shaped element 4, which is known per se, can be used for a concentrator if a surface-reducing element 3 is connected upstream of it. The construction of an area-reducing element is described by way of example using some embodiments.
In den in den Figuren 2 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen besteht das flächenreduzierende Element 3 im wesentlichen aus einem Konus aus einem optischen Material, z.B. aus massivem Glas. Dieser Konus wird von einer speziellen Reflexionswand umgeben, welche die aus dem Konus kommenden Strahlen in den Konus zurückreflektiert. Wäre die Wand des Konus lediglich verspiegelt, so würde bei jeder Reflexion an einer Seitenwand der Winkel, den der Lichtstrahl mit der opti- sehen Hauptachse 6 einschließt, vergrößert werden. Irgendwann erreicht der Winkel 90°, so daß die Richtung des Lichts umgekehrt wird. Die spezielle Reflexionswand, die zumindest im unteren Bereich des Konus an der Außenwand angeordnet ist, wird im folgenden auch Prismenwand genannt, da sie aus einer Reihe von Prismen besteht. Die Prismenwand dient dazu, den Winkel zwischen Lichtstrahl und optischer Hauptachse zu verkleinern. Im Ergebnis führt dies dazu, daß an der spe- ziellen Reflexionswand nicht das normale Reflexionsgesetz gilt, bei dem der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist, sondern der Ausfallswinkel um einen Um- bzw. Ablenkwinkel kleiner als der Einfallswinkel ist. Diese Umlenkeigenschaft der Prismenwand, die im folgenden noch detailliert beschrieben wird, funktioniert besonders gut für Lichtstrahlen, die einen relativ großen Winkel mit der optischen Hauptachse einschließen. Daher ist die spezielle Reflexionswand in der bevorzugten Ausführungsform nur im unteren Bereich des Konus angeordnet, während im oberen Bereich der Konus von einer verspiegelten Schicht umgeben ist. Die verspiegelte Schicht führt, wie bereits erwähnt, dazu, daß bei jeder Reflexion an der Seitenwand der Winkel zwischen den Lichtstrahlen und der optischen Hauptachse 6 vergrößert wird.In the embodiments described in FIGS. 2 to 6, the area-reducing element 3 essentially consists of a cone made of an optical material, for example of solid glass. This cone is surrounded by a special reflection wall, which reflects the rays coming out of the cone back into the cone. If the wall of the cone were only mirrored, the angle that the light beam encloses with the main optical axis 6 would be increased with each reflection on a side wall. At some point the angle reaches 90 ° so that the direction of the light is reversed. The special reflection wall, which is arranged at least in the lower area of the cone on the outer wall, is also called prism wall in the following, since it consists of a series of prisms. The prism wall serves to reduce the angle between the light beam and the main optical axis. As a result, this leads to the fact that tial reflection wall does not apply the normal reflection law, in which the angle of incidence is equal to the angle of reflection, but the angle of reflection is smaller than the angle of incidence by a deflection or deflection angle. This deflecting property of the prism wall, which will be described in detail below, works particularly well for light rays which form a relatively large angle with the main optical axis. Therefore, in the preferred embodiment, the special reflection wall is arranged only in the lower region of the cone, while in the upper region the cone is surrounded by a mirrored layer. As already mentioned, the mirrored layer leads to the angle between the light beams and the main optical axis 6 being increased with each reflection on the side wall.
Beim Eintritt des Sonnenlichts in den Konus wird das Licht zur optischen Hauptachse hin gebrochen. Dies führt dazu, daß der maximale Winkel, den die in den Konus eingetretenen Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einschließen, nicht 90°, sondern arcsin(1/n1) ist, wobei n-\ der Brechungsindex des Konusmaterials ist. Besteht beispielsweise der Konus aus Plexiglas, so beträgt der maxima- le Winkel, den das gerade in den Konus eingetretene Licht mit der optischen Hauptachse 6 einschließt, 42°. Dadurch, daß der Konus im oberen Bereich verspiegelt ist, wird erreicht, daß der maximale Winkel, den die Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einschließen, wieder vergrößert wird. Bei der Bemessung des verspiegelten Bereichs ist darauf zu achten, daß der maximale Winkel, den die Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse 6 einschließen, maximal auf 90° erhöht wird. Sobald der maximale Winkel in den Bereich von 90° kommt, muß die verspiegelte Fläche enden, um Rückstrahleffekte zu vermeiden. Nun schließt sich nach unten die spezielle Reflexionswand an.When sunlight enters the cone, the light is refracted towards the main optical axis. This means that the maximum angle that the light rays entering the cone enclose with the main optical axis is not 90 ° but arcsine (1 / n 1 ), where n- \ is the refractive index of the cone material. If, for example, the cone is made of plexiglass, the maximum angle that the light that has just entered the cone with the main optical axis 6 is 42 °. The fact that the cone is mirrored in the upper region ensures that the maximum angle which the light beams enclose with the main optical axis is increased again. When dimensioning the mirrored area, care must be taken that the maximum angle which the light rays enclose with the main optical axis 6 is increased to a maximum of 90 °. As soon as the maximum angle comes into the range of 90 °, the mirrored surface must end in order to avoid reflections. Now the special reflective wall connects to the bottom.
Eine Möglichkeit, durch die Anordnung von Prismen an der Außenwand des Konus den Winkel, den Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse 6 einschließen, zu verringern, besteht darin, die Totalre- flexion beim Übergang vom optisch dichteren in das optisch dünnere Medium auszunutzen. Zur Verdeutlichung ist in Figur 2 im linken Teilbild ein prinzipieller Aufbau einer Prismenwand gezeigt. Hier wurden Einschnitte in das Material eingebracht. Der Winkel, den die Einschnitte mit der optischen Hauptachse einschließen, wird so gewählt, daß Lichtstrahlen, die mit der optischen Hauptachse 6 in etwa einen Winkel von 90° einschließen, an der Unterseite 13 des Einschnittes noch total reflektiert werden. Dies ist anhand eines beispielhaften Lichtstrahls L verdeutlicht. Dieser Lichtstrahl wird an der Unterseite 13 des Einschnittes total reflektiert, dann an die reflektierende Schicht 5 geleitet, von dieser reflektiert und kann dann die weiteren Einschnitte nahezu ungehindert passieren. Deutlich zu erkennen ist, daß der reflektierte Strahl einen deutlich geringeren Winkel einschließt. Durch die gezeigte Anordnung ist es bereits für einen Großteil der Lichtstrahlen in dem Konus mög- lieh, diese in der gewünschten Art und Weise zu reflektieren. Die in den beiden anderen Teilbildern der Figur 2 gezeigten Weiterentwicklungen beruhen auf demselben Prinzip, sind jedoch optimiert worden, um den Anteil der in der gewünschten Weise reflektierten Lichtstrahlen zu erhöhen. So sind in der optimierten Ausführungsform die Einschnitte sägezahnförmig ausgebildet, wie im mittleren Teilbild von Figur 2 gezeigt. In die sägezahnartigen Einschnitte sind dann weitere Prismen 8 einge- bracht worden. Hier sind nun zwei Übergänge vom optisch dichteren in das optisch dünnere Medium 13, 14 vorgesehen, an denen jeweils für manche Lichtstrahlen Totalreflexion auftritt. Der erste Übergang ist wieder die untere Einschnittsfläche 13. Hier werden im gezeigten Beispiel alle Lichtstrahlen reflektiert, die mit der optischen Hauptachse einen Winkel von < 78° einschließen. Lichtstrahlen, die einen Winkel zwischen 78° und 90° mit der optischen Hauptachse einschließen, können den Konus am Übergang 13 verlassen und gelangen in das äußere Prisma. Der obere Abschluß 14 des äußeren Prismas ist jedoch so angeordnet, daß diese Lichtstrahlen hier total reflektiert und schließlich am seitlichen verspiegelten Abschluß 5 des Prismas gespiegelt werden. Die obere Kante 14 des Prismas 8 schließt mit der Hauptachse einen Winkel ein, der derart gewählt ist, daß Lichtstrahlen, die mit der Hauptachse einen Winkel von 90° einschließen, an der Grenzfläche 14 von dem optisch dichteren in das optisch dünnere Material total reflektiert werden.One way of reducing the angle that light rays enclose with the main optical axis 6 by arranging prisms on the outer wall of the cone is to use the total reflection during the transition from the optically denser to the optically thinner medium. For clarification, a basic structure of a prism wall is shown in FIG. 2 in the left partial image. Here incisions were made in the material. The angle which the incisions enclose with the main optical axis is chosen such that light rays which enclose an angle of approximately 90 ° with the main optical axis 6 are still totally reflected on the underside 13 of the incision. This is illustrated using an exemplary light beam L. This light beam is totally reflected on the underside 13 of the incision, then directed to the reflective layer 5, reflected by it and can then pass through the other incisions almost unhindered. It can be clearly seen that the reflected beam encloses a significantly smaller angle. The arrangement shown makes it possible for a large part of the light rays in the cone to be reflected in the desired manner. The further developments shown in the two other partial images in FIG. 2 are based on the same principle, but have been optimized in order to increase the proportion of light rays reflected in the desired manner. In the optimized embodiment, the incisions are sawtooth-shaped, as shown in the middle partial image of FIG. 2. Further prisms 8 are then inserted into the sawtooth-like incisions. been brought. Here, two transitions from the optically denser to the optically thinner medium 13, 14 are provided, on each of which total reflection occurs for some light rays. The first transition is again the lower incision surface 13. Here, in the example shown, all light rays are reflected which enclose an angle of <78 ° with the main optical axis. Light rays, which enclose an angle between 78 ° and 90 ° with the main optical axis, can leave the cone at the transition 13 and reach the outer prism. However, the upper end 14 of the outer prism is arranged in such a way that these light beams are totally reflected here and are finally mirrored on the side mirrored end 5 of the prism. The upper edge 14 of the prism 8 forms an angle with the main axis, which is chosen such that light rays which form an angle of 90 ° with the main axis are totally reflected at the interface 14 from the optically denser material into the optically thinner material ,
In der Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Prismenwand, die aber auf dem gleichen Grundprinzip wie die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform besteht. Wie im linken Teilbild von Figur 3 zu sehen, geht auch diese Ausführungsform von einem Konus mit Einschnitten aus. Bei der Optimierung wird nun jedoch der gesamte eingeschnittene Bereich von dem eigentlichen Konus 3 getrennt, so daß dessen Außenfläche wieder weitgehend glatt ist. Es werden Prismen 8 angeordnet, deren obere Kante 14 mit der optischen Hauptachse wiederum einen Winkel einschließt, der für die Totalreflexion von Lichtstrahlen, die mit der optischen Hauptachse einen Winkel von etwa 90° ein- . schließen, gewährleistet.FIG. 3 shows an alternative embodiment of a prism wall, but which is based on the same basic principle as the embodiment shown in FIG. 2. As can be seen in the left partial image of FIG. 3, this embodiment is also based on a cone with incisions. In the optimization, however, the entire incised area is now separated from the actual cone 3, so that its outer surface is largely smooth again. Prisms 8 are arranged, the upper edge 14 of which in turn encloses an angle with the main optical axis, which for the total reflection of light rays forms an angle with the main optical axis of approximately 90 °. close, guaranteed.
In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind zusätzlich in die Prismenwand Prismen aus einem Material eingesetzt, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Konus. Die eingebrachten Prismen sind mit der Bezugszahl 9 versehen. Diese Prismen aus Material mit niedrigem Brechungsindex dienen unter anderem dazu, an der reflektierten Schicht 5 reflektierte Lichtstrahlen, die ohne Vorhandensein des Prismas 9 mit einer dem Brechungsindex an der oberen Kante des Einschnitts 16 beim Übergang vom optisch dichteren in das optisch dünnere Material total reflektiert würden, sicher in den Konus zurückzuleiten. Dadurch, daß der Brechungsindex des Prismas 9 kleiner als der Brechungsindex des Konus 3, aber größer als der Brechungsindex von Luft ist, wird der kritische Winkel, bei dem Totalreflexion an der Grenzfläche 16 auftritt, vergrößert, so daß die an der reflektierten Fläche 5 zurückreflektierten Lichtstrahlen weitestgehend das Prisma 9 passieren und in den Konus zurückgeleitet werden. Diese Prismenanordnung ist für Lichtstrahlen, die zunächst in das Prisma 8 eintreten von Vorteil. Weniger vorteilhaft ist diese Anordnung jedoch für Lichtstrahlen, die nicht über das Prisma 8 in das Prisma 9 mit geringerem Brechungsindex eintreten, sondern vom optischen Hauptkörper direkt in das Prisma 9 eintreten, Daher sieht eine verbesserte Ausführungsform vor, daß das Prisma mit gegenüber dem Prisma 8 verringertem Brechungsindex an der dem Hauptkörper zugewandten Seite eine beidseitig verspiegelte Fläche vorgesehen ist. Der optische Hauptkörper verläuft im Bereich dieser beidseitig verspiegelten Fläche vorzugsweise nicht konisch, sondern hat hier eine Außenfläche, die im wesentlichen parallel zur optischen Hauptachse verläuft, um unerwünschte Rückstrahlungen aufgrund des eingangs erwähnten „Trichter-Effekts" zu vermeiden. Es versteht sich, daß ein beidseitig verspiegeltes Element vorzugsweise in Kombination mit einem sich nicht verjüngenden Abschnitts des optischen Hauptkörpers auch bei den anderen Ausführungsformen verwendet werden kann.In the embodiment shown in FIG. 4, prisms made of a material whose refractive index is smaller than the refractive index of the cone are additionally inserted into the prism wall. The inserted prisms are provided with the reference number 9. These prisms made of material with a low refractive index are used, inter alia, for light rays reflected on the reflected layer 5, which would be totally reflected without the presence of the prism 9 with a refractive index at the upper edge of the incision 16 during the transition from the optically denser to the optically thinner material to safely return to the cone. Because the refractive index of the prism 9 is smaller than the refractive index of the cone 3, but larger than the refractive index of air, the critical angle at which total reflection occurs at the interface 16 is increased, so that those reflected back on the reflected surface 5 Light rays largely pass through prism 9 and are returned to the cone. This prism arrangement is advantageous for light rays that first enter prism 8. However, this arrangement is less advantageous for light beams that do not enter the prism 9 with a lower refractive index via the prism 8, but rather enter the prism 9 directly from the main optical body. Therefore, an improved embodiment provides that the prism is compared to the prism 8 reduced refractive index on the side facing the main body, a surface mirrored on both sides is provided. The optical main body preferably does not run conically in the area of this surface mirrored on both sides, but here has an outer surface which runs essentially parallel to the main optical axis, in order to avoid undesired reflections due to the “funnel effect” mentioned at the outset. It goes without saying that an element which is mirrored on both sides can preferably also be used in the other embodiments in combination with a non-tapering section of the optical main body.
In der Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Prismenwand gezeigt. Hier werden die Lichtstrahlen in den Prismen geführt, da sich deren Querschnitt ständig vergrößert. In dem rechten Teilbild von Figur 5 ist links ein Teil des Konus 3 zu sehen. Rechts sind die spitz zulaufenden Prismen. Die Lichtstrahlen, die den Konus 3 an seiner Außenseite verlassen, treten in die Prismen 8 ein. Da das Prisma 8 in Strahlrichtung breiter wird, werden die Lichtstrahlen quasi "eingefangen". Der Lichtstrahl kann das Prisma daher zunächst nicht verlassen und wird, ähnlich dem Lichtführungsprinzip in Glasfasern, bis zum Ende des Prismas geführt. Aufgrund der gekrümmten Anordnung des Prismas 8 wird der Winkel, den der Lichtstrahl mit der optischen Hauptachse einschließt, verkleinert. Am Ende des Prismas 8 treten die Lichtstrahlen aus dem Prisma aus und werden an der Verspiegelung 5 reflektiert. Beim Durchlaufen der Prismen 8 in der umgekehrten Richtung werden die Lichtstrahlen bei jedem Durchlauf in Richtung der optischen Hauptachse gebeugt. Wie in der gezeigten Ausführungsform verdeutlicht, kann dann, wenn der Öffnungswinkel des Prismenkörpers 8 groß genug ist, die Achse des Prismenkörpers .gebogen' werden. Es können daher mehrere "Knickstellen" 17 vorgesehen werden. Ähnlich dem Lichtleitungsprinzip in Glasfasern können die Lichtstrahlen das Pris- ma 8 dennoch nicht verlassen.Another embodiment of a prism wall is shown in FIG. Here the light rays are guided in the prisms because their cross-section is constantly increasing. A part of the cone 3 can be seen on the left in the right partial image of FIG. On the right are the pointed prisms. The light rays that leave the cone 3 on its outside enter the prisms 8. Since the prism 8 widens in the beam direction, the light beams are virtually "captured". The light beam can therefore initially not leave the prism and is guided to the end of the prism, similar to the light guiding principle in glass fibers. Due to the curved arrangement of the prism 8, the angle that the light beam encloses with the main optical axis is reduced. At the end of the prism 8, the light rays emerge from the prism and are reflected on the mirror 5. When passing through the prisms 8 in the reverse direction, the light beams are diffracted in the direction of the main optical axis during each pass. As illustrated in the embodiment shown, if the opening angle of the prism body 8 is large enough, the axis of the prism body can be "bent". Several "kinks" 17 can therefore be provided. Similar to the light guiding principle in glass fibers, the light rays cannot leave prism 8.
An dieser Stelle soll erwähnt werden, daß die Prismen 8 nicht unbedingt so angeordnet sein müssen, daß ihre Spitze bzw. Eingangsspitze 15 dem Konus 3 zugewandt ist. Sie könnten vielmehr auch der Verspiegelung 5 zugewandt sein, so daß die Lichtstrahlen zunächst, wenn sie aus dem Konus 3 austreten, mehrere Prismen 8 durchlaufen und dabei "nach unten", das heißt in Richtung der optischen Hauptachse, gebeugt werden und erst nach der Reflexion an der Verspiegelung 5 in einem Prisma 8 "eingefangen" werden und dann in Richtung des Konus 3 geführt werden.At this point it should be mentioned that the prisms 8 do not necessarily have to be arranged such that their tip or input tip 15 faces the cone 3. Rather, they could also be facing the mirroring 5, so that the light beams first pass through a plurality of prisms 8 when they emerge from the cone 3 and are thereby "downward", that is to say in the direction of the main optical axis, and only after the reflection are "captured" on the mirror 5 in a prism 8 and then guided in the direction of the cone 3.
In Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform von Prismen gezeigt, die an der Außenfläche eines Ko- nus angeordnet werden können. Das Prisma 8 hat eine verspiegelte Außenfläche 5. Die verspiegelte Außenfläche verläuft im wesentlichen parallel zur optischen Hauptachse des Konus. Beispielhaft ist ein Lichtstrahl L gezeigt, der aus dem Konus 3 austritt und auf die erste Fläche des Prismas 8 auftritt. Er wird dort zum Lot hin gebrochen und an der Verspiegelung 5 zurückgespiegelt. Beim Austreten aus dem Prisma 8 wird er vom Lot weg gebrochen, so daß der reflektierte Lichtstrahl einen kleineren Winkel mit der optischen Hauptachse einschließt als der ursprünglich aus dem Konus 3 ausgetretene Lichtstrahl L. Prinzipiell könnte daher eine spezielle Reflexionswand mit Hilfe von einseitig verspiegelten Dreiecksprismen verwirklicht werden. Diese haben jedoch den Nachteil, daß dann, wenn die von der Verspiegelung 5 reflektierte Wand auf die untere Fläche 16 des Prismas 8 trifft, die Lichtstrahlen total reflektiert werden und die Richtung umkehren. Aus diesem Grund weist das in der Figur 6 gezeigte Prisma 8 ein weiteres spitzwinkliges Prisma 9 auf, das aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex ist. Dieses weitere Prisma 9 ist vorzugsweise so angeordnet, daß es mit einer Spitze im wesentlichen nach unten zeigt. Die Spitze ist mit Vorteil etwas in Richtung des optischen Hauptkörpers geneigt, wie in der Figur zu erkennen. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Prisma 8 aus Polycarbonat mit einem Brechungsindex von 1 ,59 und das Prisma 9 aus einem Material mit einem Brechungsindex von 1 ,34. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß Lichtstrahlen aus dem Prisma 8 leicht in das zusätzliche Prisma 9 eindringen können, da der Grenzwinkel für die Totalreflexion aus dem Verhältnis der Brechungsindizes der benachbarten optischen Hauptkörper gebildet wird.FIG. 6 shows a further embodiment of prisms which can be arranged on the outer surface of a cone. The prism 8 has a mirrored outer surface 5. The mirrored outer surface runs essentially parallel to the main optical axis of the cone. By way of example, a light beam L is shown which emerges from the cone 3 and occurs on the first surface of the prism 8. There it is broken to the plumb line and reflected on the mirror 5. When it emerges from the prism 8, it is broken away from the plumb line, so that the reflected light beam encloses a smaller angle with the main optical axis than the light beam L originally emerging from the cone 3. In principle, therefore, a special reflection wall could be realized with the aid of triangular prisms mirrored on one side become. However, these have the disadvantage that when the wall reflected by the mirror 5 strikes the lower surface 16 of the prism 8, the light rays are totally reflected and reverse the direction. Because of this, points the prism 8 shown in FIG. 6 has a further acute-angled prism 9, which is made of a material with a low refractive index. This further prism 9 is preferably arranged so that it points substantially downward with a tip. The tip is advantageously inclined somewhat in the direction of the main optical body, as can be seen in the figure. In a particularly preferred exemplary embodiment, prism 8 consists of polycarbonate with a refractive index of 1.59 and prism 9 of a material with a refractive index of 1.34. This arrangement has the advantage that light rays from the prism 8 can easily penetrate into the additional prism 9, since the critical angle for the total reflection is formed from the ratio of the refractive indices of the adjacent main optical bodies.
In den Figuren 7 und 8 sind zwei Ausführungsformen von winkelreduzierenden Elementen dargestellt. Die in der Figur 7 gezeigte Ausführungsform zeigt ein winkelreduzierendes Element, das im wesentlichen aus einem keilförmigen Element 4 besteht. Außerhalb des keilförmigen Elements 4 ist jedoch eine Verspiegelung 5 vorgesehen, an deren Innenseite ein schmales Prisma 12 vorangestellt ist. Zwischen dem Prisma 12 und dem keilförmigen Element 4 besteht ein kleiner Luftspalt. Der in der Figur 7 als Beispiel gezeigte Lichtstrahl wird zunächst an der abstrahlenden Seitenfläche des keilförmigen Elements 4 total reflektiert. Wenn die Rückseite verspiegelt wäre, wäre der Lichtstrahl nach Reflexion an der abstrahlenden Seite um den doppelten Keilwinkel größer. Ist auch die Rückseite des Keils offen, kann der Lichtstrahl den Keil verlassen, wenn der Winkel, den der Lichtstrahl mit dem Einfallslot einschließt, größer als der Totalreflexionswinkel ist. Im Idealfall wird der Lichtstrahl durch den schräg gestellten Spiegel fast parallel zur Keilrückwand reflektiert, um dort mit dem Winkel a Ruckemtntt = aresin (1 / n^ wieder in das Prisma einzutreten. Daraus folgt, daß der größte Winkel, der an der abstrahlenden Seitenfläche auftreten kann, sich aus dem Totalreflexionswinkel und dem Keilwinkel zusammensetzt. Dadurch ist der Winkelbereich der austretenden Strahlen redu- ziert worden.FIGS. 7 and 8 show two embodiments of angle-reducing elements. The embodiment shown in FIG. 7 shows an angle-reducing element which essentially consists of a wedge-shaped element 4. Outside of the wedge-shaped element 4, however, a mirroring 5 is provided, on the inside of which a narrow prism 12 is placed. There is a small air gap between the prism 12 and the wedge-shaped element 4. The light beam shown as an example in FIG. 7 is first totally reflected on the radiating side surface of the wedge-shaped element 4. If the back were mirrored, the light beam would be twice the wedge angle after reflection on the emitting side. If the back of the wedge is also open, the light beam can leave the wedge if the angle that the light beam forms with the perpendicular is greater than the total reflection angle. Ideally, the light beam is reflected by the inclined mirror almost parallel to the wedge rear wall, in order to re-enter the prism there with the angle a R uc k e m t ntt = aresin (1 / n ^. It follows that the largest angle, that can appear on the emitting side surface, is made up of the total reflection angle and the wedge angle, thereby reducing the angular range of the emerging rays.
Eine weitere Ausführungsform des winkelreduzierenden Elements 4 ist in der Figur 8 gezeigt. Hier sind in den Keil 4 Körper 10 mit anderem Brechungsindex eingebracht. Der Winkel, den die aus dem Keil austretenden Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einschließen, kann durch die Licht- brechung an den eingelagerten Teilen vor der Austrittsfläche verkleinert werden. Dies führt insgesamt dazu, daß der von den austretenden Lichtstrahlen aufgespannte Winkelbereich, den die austretenden Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einschließen, verkleinert wird. Mit anderen Worten tritt das Licht quasi parallel aus dem winkelreduzierenden Element aus. In der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform ist zusätzlich ein weiteres Prisma 11 direkt an der Außenseite des keil- förmigen Elements angebracht. Zwar führt dieses zusätzliche Prisma 11 dazu, daß die austretenden Lichtstrahlen im Durchschnitt wieder einen etwas größeren Winkel mit der optischen Hauptachse einschließen, zugleich wird jedoch die Winkelstreuung reduziert. Mit anderen Worten verlaufen die austretenden Lichtstrahlen im wesentlichen quasi parallel, wenn auch nicht parallel zur optischen Hauptachse. Dies kann jedoch durch die umgebene Spiegelwand aufgefangen werden. Zur Vor- Fokussierung 7 bei reduzierter Lichtaustrittsfläche (siehe Figur 12) kann ein übliches Element verwendet werden.Another embodiment of the angle-reducing element 4 is shown in FIG. Here, bodies 10 with a different refractive index are introduced into the wedge 4. The angle that the light rays emerging from the wedge enclose with the main optical axis can be reduced by the refraction of light on the embedded parts in front of the exit surface. Overall, this leads to a reduction in the angular range spanned by the emerging light rays, which the emerging light rays enclose with the main optical axis. In other words, the light emerges from the angle-reducing element virtually in parallel. In the embodiment shown in FIG. 8, a further prism 11 is additionally attached directly to the outside of the wedge-shaped element. Although this additional prism 11 leads to the fact that the emerging light beams again enclose a somewhat larger angle with the main optical axis, the angular scatter is reduced at the same time. In other words, the emerging light beams run essentially parallel, if not parallel to the main optical axis. However, this can be compensated for by the surrounding mirror wall. To advance Focusing 7 with a reduced light exit area (see FIG. 12), a conventional element can be used.
In Figur 9 ist ein Summier-Element gezeigt, welches vorzugsweise in Kombination mit den Kon- zentratorelementen eingesetzt wird. Strahlen können sowohl in der Figur von oben kommend über die totalreflektierende Fläche 20 als auch in der Figur von rechts kommend durch Transmission an der Fläche 20 zur Weiterleitung 21 geführt werden.FIG. 9 shows a summing element which is preferably used in combination with the concentrator elements. Beams coming from above via the totally reflecting surface 20 and in the figure coming from the right can be guided by transmission on the surface 20 to the relay 21 both in the figure.
In Figur 10 ist der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise eines Absolutwert-Wandlers gezeigt, wie er in Kombination mit den Konzentratorelementen verwendet werden kann.FIG. 10 shows the basic structure and the mode of operation of an absolute value converter as it can be used in combination with the concentrator elements.
Der Absolutwert-Wandler 22 besteht im wesentlichen aus einem Prisma mit in etwa rhom- busförmigen Querschnitt, dessen eine Seitenfläche 23 verspiegelt ist. Die in der Zeichnung von links kommenden und mit der Bezugszahl 29b versehenen Lichtstrahlen werden an den beiden Grenzflä- chen des Prisma gebrochen. Falls der effektive brechende Winkel ungleich Null ist, d. h. die beiden Seitenflächen (links oben und rechts unten in Figur 10), welche von den von links kommenden Lichtstrahlen 29b durchlaufen werden, nicht parallel sind, werden diese Strahlen um einen bestimmten (vom effektiven brechenden Winkel abhängenden) Betrag abgelenkt.The absolute value converter 22 essentially consists of a prism with an approximately rhombus-shaped cross section, one side surface of which is mirrored. The light rays coming from the left in the drawing and provided with the reference number 29b are refracted at the two boundary surfaces of the prism. If the effective refractive angle is non-zero, i. H. the two side surfaces (top left and bottom right in FIG. 10) which are traversed by the light rays 29b coming from the left are not parallel, these rays are deflected by a certain amount (depending on the effective refractive angle).
Die in der Zeichnung (siehe Figur 10) von rechts kommenden und mit der Bezugszahl 29a versehenen Lichtstrahlen treten in das Prisma 22 von rechts oben ein und werden an der verspiegelten Fläche 23 (links unten in Figur 10) reflektiert, so daß sie den Absolutwert-Wandler bzw. das Prisma 22 ebenfalls an der Fläche rechts unten verlassen.The light rays coming from the right in the drawing (see FIG. 10) and provided with the reference number 29a enter the prism 22 from the top right and are reflected on the mirrored surface 23 (bottom left in FIG. 10), so that they represent the absolute value. Also leave the transducer or the prism 22 on the surface at the bottom right.
Während die einfallenden Lichtstrahlen einen Öffnungswinkel von 180° haben können, sind die ausfallenden Lichtstrahlen auf einen Öffnungswinkel von 90° begrenzt.While the incident light rays can have an opening angle of 180 °, the emerging light rays are limited to an opening angle of 90 °.
Bei der Realisierung eines statischen Konzentrators mit Absolutwert-Wandlern werden die Prismen vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Die Ringe weisen dann einen Querschnitt auf, der im wesentli- chen dem in Figur 10 gezeigten entspricht. Die verspiegelte Fläche wird vorzugsweise so angeordnet, daß sie an der radial weiter außen liegenden Seite des im wesentlichen ringförmigen Prismas angebracht ist.When realizing a static concentrator with absolute value converters, the prisms are preferably formed in a ring. The rings then have a cross section which essentially corresponds to that shown in FIG. 10. The mirrored surface is preferably arranged so that it is attached to the radially outer side of the substantially annular prism.
Der statische Konzentrator besteht in diesem Fall aus mehreren im wesentlichen konzentrisch an- geordneten in etwa ringförmigen Absolutwert-Wandlern. Auch dieser Konzentrator kann für bestimmte Anwendungsfällen mit optischen Körpern oder Konzentrationskörpern kombiniert werden, um den Konzentrationsfaktor weiter zu erhöhen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Absolutwert-Wandler besteht in der Verwendung als optischer Addierer. So kann beispielsweise das in benachbarten Konzentratoren gesammelte Licht mit Hilfe von Absolutwert-Wandlern derart umgeleitet werden, daß benachbarte Konzentratoren das einfallende Licht auf eine gemeinsame (größere) Solarzelle leiten. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Solarzellen pro Fläche weiter reduziert werden.In this case, the static concentrator consists of several essentially concentrically arranged, approximately ring-shaped absolute value converters. This concentrator can also be combined with optical bodies or concentration bodies for certain applications in order to further increase the concentration factor. Another application of the absolute value converter is the use as an optical adder. For example, the light collected in neighboring concentrators can be diverted using absolute value converters in such a way that neighboring concentrators direct the incident light onto a common (larger) solar cell. This can further reduce the number of solar cells required per area.
Figur 11 zeigt eine Ausführungsform einer Null-Winkel Unterdrückung. Die Null-Winkel Unterdrückung dient zur Reduzierung der Baulänge. Dazu werden im winkelreduzierenden Element vor dem eigentlichen Keil Einlagerungen oder Hohlkörper 24 eingebracht, die Strahlen, die mit der optischen Hauptachse einen kleinen Winkel einschließen, von der optischen Hauptachse weggebrochen. Da Strahlen, die gerade in den Keil eindringen, erst durch Totalreflexion an den konisch zulaufenden Wänden bis zum Totalreflexionswinkel erhöht werden müssen, kann man dies auch bereits vorher durch ein eingefügtes, optisches Element erreichen. Mit Vorteil kommen hier spitzwinklige Hohlraumprismen 24 zur Anwendung, die mit der Spitze nach oben angeordnet sind. Dadurch werden die nahezu senkrecht einfallenden Strahlen gezielt gebrochen. Es ist daher möglich, die Spitze des Keils des winkelreduzierenden Elements wegfallen zu lassen, was wiederum fertigungstechnisch von Vorteil ist. Unter einem Hohlraumprisma 24 wird ein innerhalb eines optischen Körpers angeordnetes Prisma mit kleinerem Brechungsindex verstanden. Vorzugsweise bestehen diese Prismen lediglich aus einem prismenförmigen Lufteinschluß (Hohlraum-Prisma).FIG. 11 shows an embodiment of a zero-angle suppression. The zero-angle suppression is used to reduce the overall length. For this purpose, inclusions or hollow bodies 24 are introduced in the angle-reducing element in front of the actual wedge, and the rays, which form a small angle with the main optical axis, are broken away from the main optical axis. Since rays that are entering the wedge only have to be increased to the total reflection angle by total reflection on the tapered walls, this can also be achieved beforehand by an inserted optical element. Advantageously, angled cavity prisms 24 are used here, which are arranged with the tip upwards. As a result, the almost vertically incident rays are specifically broken. It is therefore possible to omit the tip of the wedge of the angle-reducing element, which in turn is advantageous in terms of production technology. A cavity prism 24 is understood to be a prism with a smaller refractive index arranged inside an optical body. These prisms preferably consist only of a prism-shaped air inclusion (cavity prism).
Auch im flächenreduzierenden Element können solche Hohlraum-Prismen mit Erfolg eingesetzt werden, wobei hier die Spitze jedoch vorzugsweise nach unten zeigt. Nach oben haben diese Prismen einen Übergang zum optischen Körper aus einem Material mit kleinerem Brechungsindex, so daß dort keine Totalreflexion mehr stattfinden kann. Diese Prismen unterstützen die Wirkung der seitlich angebrachten Prismen.Such cavity prisms can also be used successfully in the area-reducing element, but here the tip preferably points downward. At the top, these prisms have a transition to the optical body made of a material with a lower refractive index, so that total reflection can no longer take place there. These prisms support the effect of the prisms on the side.
Zusätzlich kann ein Konzentrationskörper angeordnet werden, der beispielsweise als radialsymmetrisches, außen verspiegeltes Konzentrationsprisma ausgebildet sein kann. Das Prisma weist in seinem Zentrum eine Durchgangsöffnung auf, durch die Lichtstrahlen senkrecht passieren können.In addition, a concentration body can be arranged, which can be designed, for example, as a radially symmetrical, externally mirrored concentration prism. The prism has a through opening in its center through which light rays can pass perpendicularly.
In Figur 12 sind verschiedene Anordnungsmöglichkeiten von Konzentratorelementen gezeigt. Im linken Teilbild ist dargestellt, daß die einzelnen Konzentratorelemente nebeneinander angeordnet werden. Dabei fällt auf, daß die Konzentratorelemente 1 lediglich im Eingangsbereich eine maximale Querschnittsbreite D haben. Im Bereich des flächenreduzierenden Elements ist der maximale Quer- schnitt deutlich reduziert. Dies ermöglicht eine Anordnung, wie sie rechts in Figur 9 gezeigt ist. Hier sind benachbarte Konzentratorelemente in der Höhe versetzt, so daß die Fokussiereinrichtung, die hier in Form einer Linse vorliegt, einen Querschnitt D2 haben kann, der deutlich größer als der maximale Querschnitt D des Aufnahmeelements ist. Dies wird dadurch möglich, daß das Fokussierelement in den skalierten Bereich des Konzentratorelements 1 angeordnet ist.Different arrangement possibilities of concentrator elements are shown in FIG. The left part of the figure shows that the individual concentrator elements are arranged side by side. It is striking that the concentrator elements 1 have a maximum cross-sectional width D only in the entrance area. The maximum cross-section is significantly reduced in the area of the area-reducing element. This enables an arrangement as shown on the right in FIG. 9. Here, adjacent concentrator elements are offset in height, so that the focusing device, which is in the form of a lens here, can have a cross section D 2 which is significantly larger than the maximum cross section D of the receiving element. This is made possible by the fact that the focusing element is arranged in the scaled area of the concentrator element 1.
Durch den erfindungsgemäßen Konzentrator ist es möglich, Licht mit einem Öffnungswinkel von größer als 20°, vorzugsweise größer als 40°, besonders bevorzugt von größer als 100° zu konzent- rieren The concentrator according to the invention makes it possible to concentrate light with an aperture angle of greater than 20 °, preferably greater than 40 °, particularly preferably greater than 100 °

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Konzentrator zur Konzentration einfallenden Lichts auf eine vorbestimmte Fläche bzw. ein vorbestimmtes Volumen mit einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß ein flächenreduzierendes Element (3) einem winkelreduzierenden Element (4) vorgeschaltet ist.1. Concentrator for concentrating incident light on a predetermined surface or a predetermined volume with an input surface and an output surface, characterized in that an area-reducing element (3) is connected upstream of an angle-reducing element (4).
2. Konzentrator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das flächenreduzierende Element (3) einen optischen Hauptkörper, vorzugsweise in Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes, aufweist, dessen Querschnitt sich in Strahlrichtung verjüngt.2. Concentrator according to claim 1, characterized in that the area-reducing element (3) has an optical main body, preferably in the form of a truncated cone or a truncated pyramid, the cross section of which tapers in the beam direction.
3. Konzentrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Seitenwänden des optischen Körpers (3) zumindest ein Prisma (8) angeordnet ist, wobei der Brechungsindex ni des Prismas größer als 1 ist.3. Concentrator according to claim 2, characterized in that on the side walls of the optical body (3) at least one prism (8) is arranged, the refractive index ni of the prism being greater than 1.
4. Konzentrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Prisma (8) einstückig mit dem optischen Hauptkörper (3) ausgebildet ist.4. Concentrator according to claim 3, characterized in that the at least one prism (8) is integrally formed with the main optical body (3).
5. Konzentrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Prisma (8) derart angeordnet ist, daß zwischen dem optischen Hauptkörper (3) und dem Prisma (8) ein Spalt besteht.5. Concentrator according to claim 3, characterized in that the at least one prism (8) is arranged such that there is a gap between the optical main body (3) and the prism (8).
6. Konzentrator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Prisma (8) so angeordnet ist, daß eine Eingangsspitze (15) des Prismas (8) mit einem spitzen Winkel φ von weniger als 90° entlang des optischen Weges näher am Eingang des Konzentrators angeordnet ist als der Spitze abgewandte Teil des Prismas (8).6. Concentrator according to one of claims 3 to 5, characterized in that the at least one prism (8) is arranged such that an input tip (15) of the prism (8) with an acute angle φ of less than 90 ° along the optical Path is arranged closer to the entrance of the concentrator than the part of the prism (8) facing away from the tip.
7. Konzentrator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände des flächenreduzierenden Elements (3) verspiegelt sind, wobei sich das zumindest eine Prisma (8) zwischen optischem Hauptkörper (3) und Verspiegelung (5) befindet.7. Concentrator according to one of claims 3 to 6, characterized in that the side walls of the area-reducing element (3) are mirrored, the at least one prism (8) between the main optical body (3) and mirroring (5).
8. Konzentrator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zumin- dest eine Prisma derart angeordnet ist das eine Seitenfläche des Prismas mit der optischen8. Concentrator according to one of claims 3 to 7, characterized in that the at least one prism is arranged such that one side surface of the prism with the optical
Hauptachse einen Winkel von a > aresin — einschließt, wobei n0 der Brechungsindex desThe main axis encloses an angle of a> aresin -, where n 0 is the refractive index of the
die Seitenfläche umgebenden Mediums und -^ der Brechungsindex des Prismas ist. is the medium surrounding the side surface and - ^ is the refractive index of the prism.
9. Konzentrator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der Eingangsspitze abgewandten Seite zumindest eines Prismas (8) ein zweites Prisma (9) angeordnet ist, wobei das zweite Prisma einen Brechungsindex n2 hat, der kleiner als der Brechungsindex des zumindest einen Prismas ist und wobei das zweite Prisma vorzugsweise so angeordnet ist, daß eine Spitze in etwa nach unten zeigt..9. Concentrator according to one of claims 6 to 8, characterized in that a second prism (9) is arranged on a side facing away from the input tip of at least one prism (8), the second prism having a refractive index n 2 which is smaller than that Is the refractive index of the at least one prism and the second prism is preferably arranged such that a tip points approximately downwards.
10. Konzentrator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den brechenden Winkel φ zumindest eines Prismas in etwa gilt:10. Concentrator according to one of claims 6 to 9, characterized in that approximately applies to the refractive angle φ of at least one prism:
-(^max + ^Banz) = arcsin — ,- (^ max + ^ B , ι anz ) = arcsin -,
22
wobei n-i der Brechungsindex des Prismas ist, n0 der Brechungsindex des das Prisma im wesentlichen im Einstrahlbereich umgebenden Mediums, φmax die maximale Winkelabweichung des aus dem optischen Hauptkörper austretenden Lichts von der optischen Haupt- achse und cpeπanz die Winkelabweichung, die den gleichen Ausgangswinkel wie Eingangswinkel hat, ist.where ni is the refractive index of the prism, n 0 the refractive index of the medium essentially surrounding the prism in the irradiation area, φ max the maximum angular deviation of the light emerging from the main optical body from the main optical axis and cpeπ anz the angular deviation, the same starting angle how has input angle is.
11. Konzentrator nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Prisma zwei Seitenflächen aufweist, die zusammen den Eingangswinkel bilden, wobei eine Seitenfläche verspiegelt ist und für den brechenden Eingangswinkel φ gilt:11. Concentrator according to one of claims 6 to 10, characterized in that at least one prism has two side surfaces which together form the entrance angle, one side surface being mirrored and for the refractive entrance angle φ:
φ > arcsin — ,φ> arcsin -,
wobei n-\ der Brechungsindex des Prismas ist und n0 der Brechungsindex des das Prisma im wesentlichen im Einstrahlbereich umgebenden Mediums ist.where n- \ is the refractive index of the prism and n 0 is the refractive index of the medium essentially surrounding the prism in the irradiation area.
12. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsfläche des flächenreduzierenden Elements nicht eben ist.12. Concentrator according to one of claims 1 to 11, characterized in that the input surface of the area-reducing element is not flat.
13. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem flächenreduzierenden Element ein Aufnahmeelement (2) im wesentlichen in Form von sich in Strahlrichtung verengenden optischen Körpern vorgeschaltet ist.13. Concentrator according to one of claims 1 to 12, characterized in that the area-reducing element is preceded by a receiving element (2) substantially in the form of optical bodies narrowing in the beam direction.
14. Konzentrator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das winkel- reduzierende Element ein Keil (4) oder ein kegelförmiges Element ist. 14. Concentrator according to one of claims 1 to 13, characterized in that the angle-reducing element is a wedge (4) or a conical element.
15. Konzentrator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (4) einseitig verspiegelt ist.15. Concentrator according to claim 14, characterized in that the wedge (4) is mirrored on one side.
16. Konzentrator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspiegelung des Keils vom Keil getrennt ist und vorzugsweise die Verspiegelung nicht parallel zur Oberfläche des16. Concentrator according to claim 15, characterized in that the mirroring of the wedge is separated from the wedge and preferably the mirroring is not parallel to the surface of the
Keils verläuft.Keils runs.
17. Konzentrator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß vor der verspiegelten Wand (5) des Keils (4) zumindest ein Prisma (12) angeordnet ist.17. A concentrator according to claim 16, characterized in that at least one prism (12) is arranged in front of the mirrored wall (5) of the wedge (4).
18. Konzentrator nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil eingeschlossene Prismen mit einem verringerten Brechungsindex, vorzugsweise prismen- förmige Hohlräume (10), aufweist, deren Spitze vorzugsweise nach oben zeigt. 18. Concentrator according to one of claims 14 to 17, characterized in that the wedge has enclosed prisms with a reduced refractive index, preferably prism-shaped cavities (10), the tip of which preferably points upwards.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7873257B2 (en) 2007-05-01 2011-01-18 Morgan Solar Inc. Light-guide solar panel and method of fabrication thereof
CN102207611A (en) * 2010-03-29 2011-10-05 成都易生玄科技有限公司 Integrated condensing method using refraction, reflection and total reflection condensing lenses as main body
CN102386966A (en) * 2010-08-31 2012-03-21 成都易生玄科技有限公司 Systematized integration for collecting energy source-level light
US8328403B1 (en) 2012-03-21 2012-12-11 Morgan Solar Inc. Light guide illumination devices
WO2013098426A1 (en) * 2011-12-27 2013-07-04 Teknia Manufacturing Group, S. L. Photovoltaic solar concentration module
US8885995B2 (en) 2011-02-07 2014-11-11 Morgan Solar Inc. Light-guide solar energy concentrator
US9040808B2 (en) 2007-05-01 2015-05-26 Morgan Solar Inc. Light-guide solar panel and method of fabrication thereof
US9337373B2 (en) 2007-05-01 2016-05-10 Morgan Solar Inc. Light-guide solar module, method of fabrication thereof, and panel made therefrom

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10255552A1 (en) * 2002-11-28 2004-06-17 Max Dipl.-Ing. Steigerwald Structured prism arrangement, has radiation from preferred face having structured surface
US20060078031A1 (en) * 2004-10-08 2006-04-13 Govorkov Sergei V InGaN LED pumped II-VI semiconductor laser
DE102016015558A1 (en) * 2016-12-20 2018-06-21 Juri Koulechoff Apparatus and method for increasing the energy density of radiation

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2916741A1 (en) * 1979-04-25 1980-11-06 Doering Geb Thurnhofer Karolin Reflector system for solar cell generator - uses hollow reflectors with smaller and larger parts connected by neck to deliver parallel beam
DE3634213A1 (en) * 1986-10-08 1988-04-21 Friedrich Becker Concentrating collector for diffuse sunlight
DE3741477A1 (en) * 1987-12-08 1989-06-22 Fraunhofer Ges Forschung CONCENTRATOR ARRANGEMENT
DE19705046A1 (en) * 1996-08-20 1998-02-26 Fraunhofer Ges Forschung System for using solar energy, e.g. for illuminating buildings etc.
DE19719083A1 (en) * 1997-04-30 1998-11-05 Kokoschko Rene Dipl Krist Device for collecting, concentrating and directing light from direct and diffuse radiation
DE19937448A1 (en) * 1999-08-07 2001-02-08 Steigerwald Niluh Kusani Static concentrator concentrates light with aperture angle in excess of 20 degrees, preferably greater than 40 degrees, has simplified wide angle construction of at least two lenses

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4114592A (en) * 1976-08-16 1978-09-19 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Cylindrical radiant energy direction device with refractive medium
DE2907424A1 (en) * 1979-02-26 1980-08-28 Eberhard Floegel Light concentrator for solar panel - has internal reflectors to transmit light from large input area to small focussing panel
DE19854391A1 (en) * 1998-11-25 2000-05-31 Daume Jochen Prism system for light deflection, converting solar radiation into thermal, electrical energy has prism arrangement in region exposed to solar radiation depending on daily course of sun

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2916741A1 (en) * 1979-04-25 1980-11-06 Doering Geb Thurnhofer Karolin Reflector system for solar cell generator - uses hollow reflectors with smaller and larger parts connected by neck to deliver parallel beam
DE3634213A1 (en) * 1986-10-08 1988-04-21 Friedrich Becker Concentrating collector for diffuse sunlight
DE3741477A1 (en) * 1987-12-08 1989-06-22 Fraunhofer Ges Forschung CONCENTRATOR ARRANGEMENT
DE19705046A1 (en) * 1996-08-20 1998-02-26 Fraunhofer Ges Forschung System for using solar energy, e.g. for illuminating buildings etc.
DE19719083A1 (en) * 1997-04-30 1998-11-05 Kokoschko Rene Dipl Krist Device for collecting, concentrating and directing light from direct and diffuse radiation
DE19937448A1 (en) * 1999-08-07 2001-02-08 Steigerwald Niluh Kusani Static concentrator concentrates light with aperture angle in excess of 20 degrees, preferably greater than 40 degrees, has simplified wide angle construction of at least two lenses

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7873257B2 (en) 2007-05-01 2011-01-18 Morgan Solar Inc. Light-guide solar panel and method of fabrication thereof
US7991261B2 (en) 2007-05-01 2011-08-02 Morgan Solar Inc. Light-guide solar panel and method of fabrication thereof
US9337373B2 (en) 2007-05-01 2016-05-10 Morgan Solar Inc. Light-guide solar module, method of fabrication thereof, and panel made therefrom
US8152339B2 (en) 2007-05-01 2012-04-10 Morgan Solar Inc. Illumination device
US9335530B2 (en) 2007-05-01 2016-05-10 Morgan Solar Inc. Planar solar energy concentrator
US9040808B2 (en) 2007-05-01 2015-05-26 Morgan Solar Inc. Light-guide solar panel and method of fabrication thereof
CN102207611A (en) * 2010-03-29 2011-10-05 成都易生玄科技有限公司 Integrated condensing method using refraction, reflection and total reflection condensing lenses as main body
CN102207611B (en) * 2010-03-29 2015-05-13 成都易生玄科技有限公司 Integrated condensing method using refraction, reflection and total reflection condensing lenses as main body
CN102386966B (en) * 2010-08-31 2014-12-03 成都易生玄科技有限公司 Systematized integration for collecting energy source-level light
CN102386966A (en) * 2010-08-31 2012-03-21 成都易生玄科技有限公司 Systematized integration for collecting energy source-level light
US8885995B2 (en) 2011-02-07 2014-11-11 Morgan Solar Inc. Light-guide solar energy concentrator
WO2013098426A1 (en) * 2011-12-27 2013-07-04 Teknia Manufacturing Group, S. L. Photovoltaic solar concentration module
US8657479B2 (en) 2012-03-21 2014-02-25 Morgan Solar Inc. Light guide illumination devices
US8328403B1 (en) 2012-03-21 2012-12-11 Morgan Solar Inc. Light guide illumination devices

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DE10059455A1 (en) 2002-06-06
WO2002044766A3 (en) 2003-08-21
AU2002215866A1 (en) 2002-06-11

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