DE102009032575A1

DE102009032575A1 - Optische Anordnung zum Beeinflussen der Ausbreitungsrichtung von Licht

Info

Publication number: DE102009032575A1
Application number: DE102009032575A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen DOBSCHAL; Jochen Dr. Müller
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zum Beeinflussen der Ausbreitungsrichtung von Licht. Sie ist in eienr ersten Ausführungsform dazu geeignet, aus unterschiedlichen Richtungen eingestrahltes Licht zu bündeln und konzentriert auf eine Photozelle zu richten. In einer zweiten Ausführungsform ist die Erfindung zur Homogenisierung des von einer flächigen Lichtquelle abgestrahlten Lichtes anwendbar. In der ersten Ausführungsform ist eine Grenzfläche (G) einer Platte aus einem transparenten Material, das optisch dichter als ein umgebendes Medium ist, einer Lichtquelle so zugewandt, daß die Lichteinfallsrichtung mit der Normalen (N) der Grenzfläche (G) diverse, in einem Bereich ±φ1 liegende Winkel einschließt. Das dabei zum Einfallslot hin gebrochene Licht tritt unter einem vom jeweils aktuellen Winkel φ1 abhängigen Winkel φ2 in die Platte ein. Eine Fresnel-Struktur reflektiert das Licht innerhalb der Platte unter einem Winkel φ3 zur Grenzfläche (G) zurück, so daß das Licht an der Grenzfläche (G) total reflektiert und innerhalb der Platte durch Totalreflexion fortgeleitet wird, bis es gebündelt und konzentriert auf eine an einer Schmalseite der Platte angeordnete Photozelle trifft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zum Beeinflussen der Ausbreitungsrichtung von Licht. Sie ist in einer ersten Ausführungsform insbesondere dazu geeignet, aus unterschiedlichen, sich zeitlich verändernden Richtungen eingestrahltes Licht zu bündeln und konzentriert auf die Empfangsfläche einer Photozelle umzulenken. In einer zweiten, hierzu alternativen Ausführungsform ist die Erfindung bevorzugt zur Streuung oder Homogenisierung des von einer flächigen Lichtquelle abgestrahlten Lichtes anwendbar.
Die erste Ausführungsform ist beispielsweise im Zusammenhang mit Photovoltaiksystemen von Interesse, bei denen das im Tagesverlauf aus unterschiedlichen Richtungen einstrahlende Sonnenlicht konzentriert auf Solarzellen gerichtet wird, um die Energieeffizienz der Solarzellen zu erhöhen.
Die Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht mit Hilfe von Photovoltaiksystemen ist nach heutigem Stand der Technik mit weniger umweltschonenden Systemen zur Energiegewinnung aus Aufwands- und Kostengründen nicht wettbewerbsfähig, da das Silizium als Ausgangsmaterial bei der Herstellung der Solarzellen verhältnismäßig teuer ist. Deshalb besteht unter anderem ein Ziel der Forschung und Entwicklung auf diesem technischen Gebiet darin, Methoden zu finden, die den Ertrag derzeit üblicher Solarzellen erhöhen.
Diesbezüglich sind bereits Anordnungen entwickelt worden, die das Sonnenlicht konzentriert auf Solarzellen richten.
Die Konzentration erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Spiegeln oder Linsen, die den Solarzellen in Einstrahlrichtung vorgeordnet sind und das Sonnenlicht bis zu 1000fach verstärkt auf die Solarzellen richten.
Bei derart hochkonzentrierenden Anordnungen wird jedoch vorwiegend nur dasjenige Sonnenlicht in Strom umgewandelt, das in Richtung der Normalen der Empfangsfläche der Solarzelle, also nur im Einfallslot, auf die Solarzelle trifft. Da sich die Einfallsrichtung aber mit dem Sonnenstand ändert, muß die Solarzelle der Sonne so nachgeführt werden, daß die Richtung der Normalen auch mit sich änderndem Sonnenstand stets oder möglichst lange der Richtung zur Sonne entspricht, da sonst der Effekt nicht wirksam wird, der mit der Konzentration beabsichtigt ist.
Im Stand der Technik sind Nachführeinrichtungen bekannt, die allerdings so material- und kostenaufwendig sind, daß die Energiebilanz den Aufwand für die Nachführung nicht rechtfertigt.
Eine bevorzugte Entwicklungsrichtung besteht deshalb darin, Photovoltaiksysteme zu schaffen, bei denen das Sonnenlicht trotz stetiger Veränderung des Sonnenstandes auch ohne eine aufwendige Nachführeinrichtung fortgesetzt konzentriert und in Richtung des Einfallslotes auf die Solarzelle gerichtet ist.
Dies wird beispielsweise mit so genannten optischen Nachführeinrichtungen erreicht. Eine solche Nachführeinrichtung ist in US 20030015233 A1 beschrieben. Sie umfaßt eine Kollektorlinse, eine Solarzelle und ein Linsenarray. Das Linsenarray ist zwischen der Kollektorlinse und der Solarzelle angeordnet und hat die Aufgabe, die von der Kollektorlinse gesammelte und teils fokussierte Strahlung konzentriert im Einfallslot auf die Solarzelle zu richten.
In US 5,877,874 ist ebenfalls eine Einrichtung zur Konzentration von Solarstrahlung auf eine Solarzelle beschrieben. Die Sammlung und Konzentration des Sonnenlichtes erfolgt hier mit Hilfe eines holographischen Planarkonzentrators, bestehend aus einer planparallelen, hochtransparenten Platte und mindestens einem holographisch-optischen Film, der auf eine Oberfläche der Platte aufgebracht ist. Der holographisch-optische Film weist eine Vielzahl von diffraktiv wirkenden optischen Strukturen auf, die den Einfall des Sonnenlichtes so beeinflussen, daß dieses unter einem Winkel, der möglichst wenig vom Einfallslot abweicht, auf eine oder mehrere Solarzellen trifft.
Diese Konzentrator-Photovoltaiksysteme sind immer noch zu aufwendig und zu teuer, so daß es damit nicht gelingt, die Effizienz wesentlich zu erhöhen. Insbesondere Einrichtungen, bei denen Hologramme zur Richtungsänderung der Solarstrahlung verwendet werden, erreichen nicht die Effizienz herkömmlicher, mit Spiegeln oder Linsen arbeitender Konzentratoren. Hologramme verstärken das auf die Solarzellen treffende Licht lediglich um einen Faktor 10, während mit klassischen Systemen Faktoren zwischen 100 und 1000 erreicht werden. Hinzu kommt, daß die Kosten für holographische Systeme ebenfalls verhältnismäßig hoch sind.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist insbesondere zur Streuung von Licht bzw. zur Homogenisierung der Intensität des von einer flächigen Lichtquelle abgestrahlten Lichtes nutzbar. Mit dieser Ausführungsform wird eine gleichmäßige Leuchtdichte bei einer Licht abstrahlenden Fläche erzielt, wie dies zum Beispiel im Zusammenhang mit Projektionseinrichtungen wünschenswert ist.
Die bekannten, über verhältnismäßig gute Homogenisierungseigenschaften verfügenden LCD-LED-Panels, Lichttunnel oder sonstigen Licht streuenden optischen Einrichtungen genügen höheren Ansprüchen nicht.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung zum Beeinflussen der Ausbreitungsrichtung von Licht zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend überwindet.
Erfindungsgemäß umfaßt eine optische Anordnung der vorgenannten Art

– mindestens eine durch zwei sich parallel gegenüber liegende Großflächen und umlaufende Schmalflächen begrenzte Platte aus einem transparenten Material, das im Vergleich zu einem umgebenden Medium optisch dichter ist, wobei
– eine der beiden Großflächen als Grenzfläche für den Übergang des Lichtes aus dem umgebenden Medium in die Platte oder umgekehrt aus der Platte in das umgebende Medium vorgesehen ist,
– die zweite Großfläche mit einer nach innen reflektierenden Fresnel-Struktur versehen ist, und
– die Platte zu einer Lichtquelle so ausgerichtet ist, daß das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht durch die Grenzfläche hindurch in die Platte eintritt, innerhalb der Platte von der Fresnel-Struktur so zur Grenzfläche zurück reflektiert wird, daß es innerhalb der Platte durch Totalreflexion bis zu mindestens einer der Schmalflächen fortgeleitet wird und dort austritt, oder die Platte zu einer Lichtquelle so ausgerichtet ist, daß das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht durch mindestens eine der Schmalflächen in die Platte eintritt, innerhalb der Platte durch Totalreflexion zu der Fresnel-Struktur geleitet wird, von dieser zu der Grenzfläche hin reflektiert wird und infolge dessen durch die Grenzfläche in das umgebende Medium austritt.

In einer ersten Ausführungsform dieser Anordnung ist an mindestens einer der Schmalseiten eine Photozelle vorgesehen, und die Grenzfläche ist der Lichtquelle so zugewandt, daß die Lichteinfallsrichtung mit der Normalen der Grenzfläche Winkel in einem Bereich ±φ1 einschließt. Bei jedem der Winkel φ1 in diesem Bereich ±φ1 wird das Licht beim Eintritt in die Platte zum Einfallslot hin gebrochen, es tritt unter einem von φ1 abhängigen Winkel φ2 in die Platte ein. Die Fresnel-Struktur reflektiert das Licht unter einem Winkel φ3 so zur Grenzfläche zurück, daß es an der Grenzfläche total reflektiert und innerhalb der Platte durch Totalreflexion zu der Schmalseite hin fortgeleitet wird, an der die Photozelle angeordnet ist.
Dabei kann die Lichtquelle ihre Position zeitlich ändern, wodurch die Lichteinfallsrichtung mit der Normalen der Grenzfläche einen sich in zeitlicher Folge ändernden Winkel φ1 einschließt, der in dem bereits genannten Bereich ±φ1 liegt. Die Größen der Winkel φ2 und φ3 sind in Abhängigkeit von der Größe des jeweils aktuellen Winkels φ1 verschieden.
Der Winkel φ1 liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von –45 grd bis +45 grd. In Abhängigkeit davon liegt der Winkel φ2 in einem Bereich von –25.9 grd bis 25.9 grd und der Winkel φ3 in einem Bereich von 0.001 grd bis 55.2 grd, wobei φ3 = 0.001 grd einen streifenden Einfall des Lichtes auf die Grenzfläche bedeutet.
In einer zweiten Ausführungsform ist an mindestens einer der Schmalseiten eine Lichtquelle angeordnet, und das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht tritt durch diese Schmalseite in die Platte ein. Innerhalb der Platte wird das Licht durch Totalreflexion fortgeleitet, trifft dabei auf die Fresnel-Struktur und wird von dieser unter verschiedenen Richtungen, die mit der Normalen der Grenzfläche Winkel in einem Bereich ±φ2 einschließt, so zur Grenzfläche zurück reflektiert, daß das Licht durch die Grenzfläche hindurch tritt, dabei vom Einfallslot weg gebrochen wird und infolge dessen in verschiedene Richtungen, die mit der Normalen der Grenzfläche Winkel in einem Bereich ±φ1 einschließen, gestreut aus der Platte austritt.
Die planparallele Platte besteht beispielsweise aus Glas mit einer Brechzahl im Bereich n = 1.47 bis 1.75, während das umgebende Medium Luft oder ein anderes, im Vergleich zu diesem Glas optisch dünneres Medium mit ebenfalls einer Brechzahl n ≈ 1 ist. An der Stelle von Glas kann selbstverständlich auch ein anderes Material, etwa Kunststoff, verwendet werden, sofern es die beschriebenen optischen Voraussetzungen erfüllt.
Im Rahmen der Erfindung liegt die Verwendung der ersten Ausführungsform der optischen Anordnung zum Umlenken und Konzentrieren des aus der sich im Tagesverlauf stetig ändernden Richtung einfallenden Sonnenlichtes auf eine Solarzelle. Ebenfalls eingeschlossen in die Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung in Einfallsrichtung des Sonnenlichtes mehrfach hintereinander.
Mit einer solchen Mehrfachanordnung aus übereinander geschichteten und dabei durch Lufträume voneinander getrennten Glasscheiben ist der Aufbau eines kompletten Solarkraftwerkes möglich.
An Stelle der mehrfach übereinander geschichteten Scheiben kann auch eine einzelne dickere Scheibe verwendet werden, die auf der der Grenzfläche gegenüber liegenden Fläche treppenförmig abgestuft und in den einzelnen Stufen mit verspiegelten, reflektierenden Fresnel-Strukturen versehen ist, wie weiter unten näher erläutert wird.
Auf diese Weise wird der Ertrag derzeit üblicher Solarzellen so weit erhöht, daß mit einer geringeren Anzahl von Solarzellen mehr elektrische Energie gewonnen wird als bisher im Stand der Technik möglich. Mit den Fresnel-Strukturen wird ein deutlich besserer Wirkungsgrad erzielt als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Hologrammstrukturen.
Anstelle einer vergleichsweise großen Anzahl teurer Solarzellen kann beispielsweise ein Hausdach mit preiswerten Glasscheiben bestückt werden, die das Sonnenlicht aufsammeln, aufgrund ihrer Ausrichtung relativ zur Sonne mittels der Fresnel-Struktur umlenken und dann konzentriert auf eine geringere Anzahl Solarzellen richten. Damit ergibt sich eine besonders kostengünstige Lösung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die der Sonne zugewandte Grenzfläche der Platte mit einer Schicht versehen, die IR-Strahlung reflektiert. Damit wird das Eindringen dieser Strahlung in die Platte vermieden und somit eine unerwünscht hohe Erwärmung der Solarzelle verhindert. In weiterführenden Ausgestaltungen kann die abgespaltene IR-Strahlung nutzbringend zur Warmwasserbereitung oder Gebäudeheizung verwendet werden.
Der auf diese Weise mit der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich zum Stand der Technik erreichte Vorteil wird insofern noch weiter verstärkt, als auch diffuses Sonnenlicht innerhalb des bereits angegebenen Winkelbereiches von etwa –45 grd bis +45 grd aufgesammelt werden kann, was besonders bei Anwendung in nördlicheren Breitengraden Vorteile bietet.
Im Rahmen der Erfindung liegt die Verwendung der zweiten Ausführungsform als flächige Lichtquelle, die bezüglich seiner Intensität homogenisiertes Licht abstrahlt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in der ersten Ausführungsform bei Verwendung zum Umlenkung und Konzentrieren von Sonnenlicht auf eine Solarzelle, hier der Übersichtlichkeit halber mit lediglich einer Glasscheibe und einer Solarzelle,
2 ein Beispiel für die in die Glasscheibe nach 1 eingebrachte und sich über einen Bereich B erstreckende Fresnel-Struktur und zugleich ein Beispiel für den Verlauf der Strahlung außerhalb und innerhalb der Glasscheibe,
3 den prinzipiellen Aufbau nach 1 in einer Mehrfachanordnung von Glasscheiben, die in Einstrahlrichtung des Sonnenlichtes hintereinander angeordnet sind,
4 die Mehrfachanordnung nach 3 bei Ausrichtung der Einstrahlfläche der Glasscheiben bei veränderter Einstrahlrichtung,
5 die Darstellung analog zu 2, jedoch bei der Einstrahlrichtung gemäß 4,
6 bis 10 die Mehrfachanordnung nach 3 bei verschiedenen, jeweils vom Sonnenstand vorgegebenen Einstrahlrichtungen,
11 eine Mehrfachanordnung von Glasscheiben in Einstrahlrichtung des Sonnenlichtes hintereinander, wobei im Unterschied zu den Darstellungen in 1, 3 und 6 bis 10 Solarzellen an beiden schmalseitigen Austrittsenden der Glasscheiben vorgesehen sind,
12 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Glasscheibe, die an unterschiedlichen Bereichen in unterschiedlichen Dicken ausgeführt und dort jeweils mit einer Fresnel-Struktur versehen ist,
13 eine Mehrfachanordnung von Glasscheiben, die wie in 12 gezeigt ausgebildet sind,
14 beispielhaft einen zur Darstellung in 2 alternativen Strahlungsverlauf bei Verwendung einer Fresnel-Struktur mit einem Flankenwinkel ε = 21 grd bei gleicher Brechzahl des Glases von n = 1.5178,
15 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in der zweiten Ausführungsform bei Verwendung zum Umlenken und Streuen oder Homogenisieren des von einer an mindestens einer der Schmalseiten angeordneten Lichtquelle abgestrahlten Lichtes und damit zur Erzielung einer von einer Fläche ausgehenden homogenen Leuchtdichte.
In 1 ist für die erfindungsgemäße Anordnung beispielhaft eine Scheibe S aus Glas mit der Bezeichnung Bk7 vorgesehen, das bei Licht der Wellenlänge 546 nm eine Brechzahl n = 1.5187 hat. Die Scheibe S weist eine Dicke d = 20 mm auf und ist so zur Einfallsrichtung E von Sonnenlicht L ausgerichtet, daß die Einfallsrichtung E mit der Normalen N der Einstrahlfläche an der Scheibe S, die zugleich die Grenzfläche G zwischen dem Glas und dem umgebenden Medium definiert, einen Winkel φ1 = ±0 grd einschließt. Das umgebende Medium ist in diesem Fall Luft mit der von der jeweiligen atmosphärischen Bedingung abhängigen Brechzahl n ≈ 1.
Vorzugsweise entspricht diese Situation und die Ausrichtung der Scheibe S dem Stand der Sonne im Zenit. Das Sonnenlicht L tritt hierbei durch die Grenzfläche G hindurch unter gleich bleibender Richtung und damit gleichem Winkel φ2 = ±0 grd in die Scheibe S ein.
Die der Grenzfläche G parallel gegenüber liegende Fläche der Scheibe S ist mit einer sich über einen Bereich B erstreckenden Fresnel-Struktur versehen. Die Fresnel-Struktur reflektiert das in die Scheibe S eindringende Sonnenlicht L zur Grenzfläche G zurück, wobei die Reflexionsrichtung mit der Grenzfläche G einen Winkel φ3 = 25 grd einschließt. Der Winkel bzw. die Reflexionsrichtung ist mit dem Flankenwinkel ε der Fresnel-Struktur festgelegt, der in dem hier gewählten Beispiel 32,5 grd betragen soll.
Der Winkel φ3 weicht vom Grenzwinkel der Totalreflexion so weit ab, daß das Licht an der Grenzfläche G in die Scheibe S zurück reflektiert und innerhalb der Scheibe S durch Totalreflexion fortgeleitet wird und schließlich auf eine Solarzelle Z trifft, die an einem schmalseitigen Austrittsende der Scheibe S angeordnet ist.
Die auf diese Weise mit der Solarzelle Z gewonnene Menge an elektrischer Energie ist um ein Vielfaches höher als bei direkter, ungebündelter Einstrahlung des Sonnenlichtes L auf dieselbe Solarzelle Z.
Aus 2 ist die in die Glasscheibe eingebrachte, sich über einen Bereich B erstreckende sägezahnförmige Fresnel-Struktur mit dem hier beispielhaft gewählten Flankenwinkel ε = 32,5 grd ersichtlich. Zugleich dient diese Darstellung der Verdeutlichung des Verlaufs der Strahlung außerhalb und innerhalb der Scheibe S.
Der Winkel φ1, den die Einfallsrichtung E mit der Normalen N der Einstrahlfläche der Scheibe S einschließt, beträgt hier, wie oben bereits beschrieben, ±0 grd. In Abhängigkeit davon beträgt gemäß der Funktion φ₂ = arcsin(sinφ₁/n) mit n der Brechzahl der Winkel φ2 ebenfalls ±0 grd. Die Fresnel-Struktur ist hier so ausgeführt, so daß sich gemäß der Funktion φ₃ = 90 grd – (2·ε – φ₂) der Winkel φ3 = 25 grd ergibt, der zur Totalreflexion an der Grenzfläche G führt.
Die Breite des Bereiches B ist zu begrenzen, damit das Licht nach der Reflexion an der Grenzfläche G auf möglichst wenige gleichgerichtete Flanken der Fresnel-Struktur trifft, was in einem unerwünscht hohem Maße zu einer Veränderung des Winkels φ3 und damit zu weniger Energieertrag an führen würde.
3 zeigt eine im Vergleich zu 1 erweiterte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung. Es sind hier sechs Scheiben S1 bis S6 parallel übereinander gelegt und dabei relativ zur Einfallsrichtung E des Sonnenlichtes L ebenso ausgerichtet wie die einzelne Scheibe S in 1. Jede der Scheiben S1 bis S6 weist einen mit einer Fresnel-Struktur versehenen Bereich B auf, wobei die Bereiche B von Scheibe S1 bis hin zur Scheibe S6 um diesen Betrag B zueinander versetzt sind. Jeweils zwischen zwei übereinander liegenden Schreiben S1 bis S6 ist ein Luftspalt vorgesehen.
Auch die in 3 dargestellte Situation einschließlich der Ausrichtung der Scheiben S1 bis S6 entspricht, wie auch schon in 1, dem Stand der Sonne im Zenit. Weicht der Sonnenstand vom Zenit ab, ergeben sich Situationen wie nachfolgend erläutert.
Tritt das Sonnenlicht, wie in 4 dargestellt, unter einem Winkel φ1 = –30 grd in die Scheiben S1 bis S6 ein, ergeben sich entsprechend der o. g. Funktionen φ2 = –19,2 Grd und φ3 = 5,8 grd. Zur Erläuterung zeigt 5 den prinzipiellen Verlauf der Strahlung außerhalb und innerhalb der Scheibe S bis zu deren Auftreffen auf die Solarzelle Z.
Im Verlaufe des sich weiter verändernden Sonnenstandes ergeben sich Situationen wie beispielhaft in 6 und 7 dargestellt. Tritt das Sonnenlicht wie in 6 unter einem Winkel φ1 = –20 grd in die Scheiben S1 bis S6 ein, bilden sich die Winkel φ2 = –13.0 grd und φ3 = 12.0 grd. Bei dem in 7 dargestellten Winkel φ1 = –10 grd nähert sich die Sonne bereits dem Zenit; es ergeben sich dabei Winkel φ2 = –6.6 grd und φ3 = 18.4 grd.
In 4, 6 und 7 sind Situationen dargestellt, in denen die Sonne den Zenit noch nicht erreicht hat. In jeder dieser Situationen ist trotz der Abweichung der Einstrahlrichtung E von der Normalen N das von den Scheiben S1 bis S6 gesammelte und umgelenkte Sonnenlicht L konzentriert auf die Solarzelle Z gerichtet, da das Sonnenlicht L mit dem Eintritt in die Scheibe S1 zum Einfallslot hin gebrochen wird und dadurch unter einem sich mit dem Sonnenstand veränderndem Winkel φ2 in jede der Scheiben S1 bis S6 eindringt, was zur Folge hat, daß das Sonnenlicht L in jeder der Scheiben S1 bis S6 unter einem sich wiederum in Abhängigkeit vom Sonnenstand ändernden Winkel φ3 zur Grenzfläche G an der jeweiligen Scheibe S1 bis S6 zurück reflektiert, an der jeweiligen Grenzfläche G total reflektiert, innerhalb der betreffenden Scheibe S1 bis S6 durch Totalreflexion fortgeleitet wird und schließlich auf die an den schmalseitigen Austrittsenden der Scheiben S1 bis S6 angeordnete Solarzelle Z trifft.
In 8 bis 10 ist eine Auswahl an Situationen dargestellt, bei denen die Sonne den Zenit überschritten hat. So betrachtet 8 die Situation bei einem Winkel φ1 = 10 grd; in Abhängigkeit davon ergeben sich φ2 = 6.6 grd und φ3 = 31.6 grd. In 9 ergeben sich in Abhängigkeit von einem Winkel φ1 = 20 grd für φ2 = 13 grd und für φ3 = 38 grd. In 10 beträgt der Winkel φ1 = 30 grd, in Abhängigkeit davon betragen φ2 = 19.2 grd und φ3 = 44.2 grd.
Es sind die Winkel φ1 und φ2 immer dann positiv, wenn das Sonnenlicht aus dem ersten Quadranten der Zeichenebene auf die Grenzfläche G einfällt.
In die Erfindung eingeschlossen sind auch Ausgestaltungen wie beispielhaft in 11 dargestellt. Hierbei sind beide schmalseitigen Enden der Scheiben S1 bis S6 als Austrittsenden für das gebündelte Sonnenlicht vorgesehen und dort jeweils Solarzellen Z angeordnet. Die Fresnel-Strukturen sind innerhalb der Scheiben S1 bis S6 jeweils symmetrisch zu einer Achse A positioniert, so daß sich bei parallel zur Normalen N einfallendem Sonnenlicht L auch ein von der Achse A ausgehender symmetrischer Strahlungsverlauf in den Scheiben S1 bis S6 ergibt. Mit sich veränderndem Sonnenstand entstehen beidseitig der Achse A die mit den Darstellungen in 1, 3, 4 und 6 bis 10 vergleichbaren Situationen.
Es sei ausdrücklich betont, daß die Anzahl von sechs Scheiben in den vorbeschriebenen Ausgestaltungen lediglich beispielhaft gewählt worden ist. Eine größere oder auch geringere Anzahl liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung. Ebenso Ausgestaltungen, bei denen mehrere der in 11 gezeigten Anordnungen nebeneinander liegen. Mit solchen Anordnungen wird eine im Vergleich zu der Ausführung nach 1 noch höhere Energieeffizienz erzielt.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich mit Anordnungen, bei denen anstelle von übereinander gelegten Scheiben Glas- oder Kunststoffplatten verwendet werden, die, wie in 12 und 13 dargestellt, als Ganzes ausgeführt sind. Diese Platten sind an der unteren, das heißt der Grenzfläche G gegenüberliegenden Seite treppenartig abgestuft. Die einzelnen Stufen entsprechen bezüglich ihrer Positionierung, Ausdehnung und Beschaffenheit den Bereichen B in den bereits oben beschriebenen Ausgestaltungen und sind mit verspiegelten, nach innen reflektierenden Fresnel-Strukturen versehen. Diese Ausgestaltungen haben insofern technologische Vorteile, als an Stelle von mehreren dünnen Einzelscheiben eine dickere Einzelscheibe verwendet wird. Die Herstellung der Treppenform kann also in nur einem einzigen Fertigungsschritt erfolgen, z. B. durch Reaktionsgießen, Heißprägen oder Kaltpressen, wodurch die Herstellung stark vereinfacht und preiswert ist.
Konkrete Ausgestaltungen sind sowohl analog zu den Darstellungen in 1, 3, 4 und 6 bis 10 denkbar, mit spiegelsymmetrischem Aufbau, wie beispielhaft in 12 dargestellt, oder auch mehrfach aneinander gereiht wie in 13 gezeigt. Durch solche Aneinanderreihungen können beliebig große Solarkonzentratoren bereitgestellt werden.
Bei den bisher beschriebenen Ausgestaltungen sind Fresnel-Strukturen mit einem Flankenwinkel ε = 32,5 grd vorgesehen. Ergänzend dazu zeigt 14 beispielhaft einen alternativen Strahlungsverlauf bei Verwendung einer Fresnel-Struktur mit einem Flankenwinkel ε = 21 grd bei gleicher Brechzahl des Glases von n = 1.5178. Wie hier ersichtlich, ist für den Winkel φ1 ein sehr weiter Bereich von –45 grd bis +45 grd möglich.
Mit der Verwendung erfindungsgemäßen optischen Anordnung auf diese Weise wird das aus einer sich stetig ändernden Richtung einfallende Sonnenlicht allein mit optischen Mitteln umgelenkt und gebündelt auf eine Photozelle gerichtet; eine mechanische Einrichtung zur Nachführung der Photozelle zur deren Ausrichtung auf die jeweilige Lichteinfallsrichtung ist nicht erforderlich.
15 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in der zweiten Ausführungsform, und zwar zum Homogenisieren des von der Grenzfläche G einer Scheibe S abgestrahlten Lichtes.
Wie aus 15 ersichtlich, tritt das von einer Lichtquelle Q abgestrahlte Licht in die Scheibe S ein und wird innerhalb der Scheibe S durch Totalreflexion fortgeleitet, wobei die verschiedenen, chaotisch verteilten Ausbreitungsrichtungen des Lichtes, von denen hier der Übersichtlichkeit halber nur einige dargestellt sind, mit der Grenzfläche G Winkel im Bereich ±φ3 einschließen.
In diesen Ausbreitungsrichtungen trifft das Licht auf die Flanken F einer verspiegelten Fresnel-Struktur mit beispielsweise einem Flankenwinkel ε = 32,5 grd und wird von den Flanken F zur Grenzfläche G zurück reflektiert. Da das Licht unter verschiedenen Ausbreitungsrichtungen auf die Flanken F trifft, sind auch die Reflexionsrichtungen chaotisch verschieden und vom jeweiligen Winkel φ3 abhängig. Von der hier ebenfalls sägezahnförmigen Fresnel-Struktur ist in 15 der Übersichtlichkeit halber lediglich eine Flanke F dargestellt.
Aufgrund des vorgegebenen Flankenwinkels ε schließen die Reflexionsrichtungen mit der Normalen N der Grundfläche G Winkel φ2 ein, die in Bezug auf die Grenzfläche G die Bedingung der Totalreflexion nicht erfüllen, so daß das Licht durch die Grenzfläche G hindurch aus der Scheibe S austritt. Beim Übergang in das die Scheibe umgebende weniger dichte Medium werden die Reflexionsrichtungen, außer der jeweils parallel zur Normalen N verlaufenden Reflexionsrichtung, von der Normalen N weg gebrochen, so daß sich das Licht außerhalb der Scheibe S in den mit R bezeichneten Richtungen mit chaotischer Verteilung ausbreitet.
Die in 15 beispielhaft dargestellten wenigen Richtungen R schließen in Abhängigkeit von dem jeweiligen Winkel φ2 bzw. φ3 mit der Normalen N einen Winkel φ1 ein. Der Winkel φ1, den die Richtungen R bei dem Flankenwinkel ε = 32,5 grd einnehmen können, liegt analog zu der anhand 2 erläuterten Ausführungsform im Bereich von etwa –30 grd bis etwa +30 grd, wobei auch hier der Winkel φ1 bei Ausbreitungsrichtung im ersten Quadranten der Zeichenebene positiv ist.
Die Strahlung verläuft innerhalb und außerhalb der Scheibe S bei der Ausführungsform nach 15 im Vergleich zu der Ausführungsform nach 2 in umgekehrter Richtung, wobei jedoch im wesentlichen dieselben physikalischen Gesetzmäßigkeiten gelten. Aus diesem Grund sind auch die Ausgestaltungen nach 1 bis 14 im übertragenen Sinn zur Homogenisierung bzw. zur Erzielung einer von der Grenzfläche G ausgehenden homogenen Leuchtdichte nutzbar.
Bezugszeichenliste

A: Achse
E: Einfallsrichtung
F: Flanke
G: Grenzfläche
L: Sonnenlicht
N: Normale
Q: Lichtquelle
R: Richtungen
S, S1 bis S6: Scheiben
Z: Solarzelle
φ1, φ2, φ3: Winkel
ε: Flankenwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 20030015233 A1 [0009]
- US 5877874 [0010]

Claims

Optische Anordnung zum Beeinflussen der Ausbreitungsrichtung von Licht, umfassend – mindestens eine durch zwei sich parallel gegenüber liegende Großflächen und umlaufende Schmalflächen begrenzte Platte aus einem transparenten Material, das im Vergleich zu einem umgebenden Medium optisch dichter ist, wobei – eine der beiden Großflächen als Grenzfläche (G) für den Übergang des Lichtes aus dem umgebenden Medium in die Platte oder umgekehrt aus der Platte in das umgebende Medium vorgesehen ist, – die zweite Großfläche mit einer nach innen reflektierenden Fresnel-Struktur versehen ist, und – die Platte zu einer Lichtquelle so ausgerichtet ist, daß das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht durch die Grenzfläche (G) hindurch in die Platte eintritt, innerhalb der Platte von der Fresnel-Struktur so zur Grenzfläche (G) zurück reflektiert wird, daß es innerhalb der Platte durch Totalreflexion bis zu mindestens einer der Schmalflächen fortgeleitet wird und dort austritt, oder – die Platte zu einer Lichtquelle so ausgerichtet ist, daß das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht durch mindestens eine der Schmalflächen in die Platte eintritt, innerhalb der Platte durch Totalreflexion zu der Fresnel-Struktur geleitet wird, von dieser zu der Grenzfläche (G) hin reflektiert wird und infolge dessen durch die Grenzfläche (G) hindurch in das umgebende Medium austritt.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, wobei – an mindestens einer der Schmalseiten eine Photozelle angeordnet ist, – die Grenzfläche (G) der Lichtquelle so zugewandt ist, daß die Lichteinfallsrichtung mit der Normalen (N) der Grenzfläche (G) einen Winkel aus einem Bereich ±φ1 einschließt, bei dem das Licht mit dem Eintritt in die Platte zum Einfallslot hin gebrochen wird und dadurch unter einem vom jeweils aktuellen Winkel φ1 abhängigen Winkeln φ2 in die Platte eintritt, – die Fresnel-Struktur das Licht unter einem von φ2 abhängigen Winkel φ3 zur Grenzfläche (G) zurück reflektiert, so daß – das Licht an der Grenzfläche (G) total reflektiert und innerhalb der Platte durch Totalreflexion fortgeleitet wird, und – auf die an der Schmalseite angeordnete Photozelle gerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, mit einer ihre Position zeitlich ändernde Lichtquelle, wobei die Lichteinfallsrichtung mit der Normalen (N) der Grenzfläche (G) einen sich in zeitlicher Folge ändernden Winkel φ1 einschließt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei – an mindestens einer der Schmalseiten eine Lichtquelle (Q) angeordnet ist, – das von der Lichtquelle (Q) abgestrahlte Licht durch diese Schmalseite in die Platte eintritt und innerhalb der Platte durch Totalreflexion fortgeleitet wird, dabei auf die Fresnel-Struktur trifft und von dieser in verschiedene Richtungen, die mit der Normalen (N) der Grenzfläche (G) Winkel in einem Bereich ±φ2 einschließen, zur Grenzfläche (G) zurück reflektiert wird, so daß das Licht durch die Grenzfläche (G) hindurch tritt, dabei vom Einfallslot weg gebrochen wird und infolge dessen in verschiedenen Richtungen, die mit der Normalen (N) der Grenzfläche (G) Winkel im Bereich ±φ1 einschließen, aus der Platte austritt.
Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher das umgebende Medium Luft ist und die Platte aus Glas oder Kunststoff mit einer Brechzahl im Bereich n = 1.47 bis 1.75 besteht.
Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Winkel φ1 in einem Bereich von –45 grd bis +45 grd liegt.
Optische Anordnung nach Anspruch 6, bei der in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Winkel φ1 – der Winkel φ2 in einem Bereich von –25.9 grd bis +25.9 grd liegt, und – der Winkel φ3 in einem Bereich von 0.001 grd bis 55.2 grd liegt.
Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die der Lichtquelle zugewandte Grenzfläche (G) der Platte mit einer IR-Strahlung reflektierenden Schicht versehen ist.
Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die der Grenzfläche (G) gegenüber liegende Großfläche eine treppenförmige Abstufung aufweist.
Verwendung der optischen Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche zum Umlenken und Konzentrieren des aus der sich im Tagesverlauf stetig ändernden Richtung einfallenden Sonnenlichtes auf eine Solarzelle (Z).
Verwendung der optischen Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche als flächige Lichtquelle, die bezüglich seiner Intensität homogenisiertes Licht abstrahlt.