DE10229144A1

DE10229144A1 - Multifunktionaler Prismenstumpfeil (PSK) zur solaren Strahlungskonzentration

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Publication number: DE10229144A1
Application number: DE2002129144
Authority: DE
Original assignee: COLSMAN-FREYBERGER CLAUS
Current assignee: COLSMAN-FREYBERGER CLAUS
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-29

Abstract

Die Anmeldung beschreibt mehrere Varianten eines multifunktionalen Prismenstumpfkeiles ("PSK") zur solaren Strahlungskonzentration.
Die wesentlichen Eigenschaften eines PSK (1) sind in der Konzentration des unter dem Divergenzwinkel 2 · α/2 auf die Eintrittsapertur (2) fallenden Strahlenfeldes auf die kleinere Austrittsfläche (3), sowie auf das Herausstreuen aller anderen Strahlen durch die PSK-Flanken in den darunter liegenden Raum zu sehen. Es werden stationäre, quasi-stationäre und einachsig nachgeführte PSK-Varianten mit verschiedenen erreichbaren Konzentrationsfaktoren beschrieben. Als eine wichtige Anwendung wird die Kombination mit einem aktiv flüssigkeitsgekühlten (10) Photovoltaikmodul (9) dargestellt.

Description

Sonnenenergiesysteme, die mittels optischer Linsen das direkte vom diffusen Tageslicht trennen und verschiedenen Funktionen zuführen, erlauben eine besonders effiziente und praxisorientierte Nutzung des solaren Strahlungsangebotes. Typischerweise sind solche Systeme als semitransparente Dächer oder Gebäudehüllen konzipiert. Als Linsensysteme kommen besonders lineare Fresnellinsen oder entsprechende holografische Linsen in Frage. Diese konzentrieren das direkte Sonnenlicht auf Brennlinien, wo es in Wärme (thermischer Kollektor) oder Strom (typisch: Photovoltarzelle oder thermoelektrischer Wandler) umgewandelt und zum Nutzungsort transportiert wird. Das diffuse Sonnenlicht wird nicht in der Brennlinie konzentriert und steht daher unterhalb der Linsen als blendfreies, angenehmes Tageslicht zur Verfügung. Wird eine solche Anordnung als Dach oder Gesamthülle (Envelope) eines Gebäudes benutzt, besitzt diese neben den Vorteilen der Strom- und Wärmegewinnung und einer angenehmen Tageslichtatmosphäre auch noch den Zusatzbonus einer passiven Klimatisierung, da ein Großteil der normalerweise unter der Glashülle entstehenden Wärme dem Gebäude als Nutzenergie entzogen wird. Der verbleibende Diffusanteil leuchtet den Raum nicht nur blendfrei aus, sondern führt aufgrund seiner geringen Energiedichte auch zu angenehmen Raumtemperaturen.
Grundsätzlich nachteilig bei Linsensystemen der beschriebenen Art ist, daß diese aufgrund der Dachintegration nur über die Ost-West Achse ständig senkrecht zur Sonne hin ausgerichtet werden können (Elevation). Der Tagesverlauf des Sonnenstandes (Azimut) bedingt jedoch, daß die Linsen in Funktion der Zeit aus verschiedenen Richtungen bestrahlt werden. Dies führt aus prinzipiellen, optischen Gründen (Fresnelgleichungen) zu einer Variation der Brennweite in Funktion des Einstrahlungswinkels. Wird diesem Effekt nicht über eine zweite Regelkomponente (typisch: aktive Veränderung des Abstandes Linse-Strahlungsempfänger oder kompensierende Spiegelboostersysteme) gegengesteuert. sinkt der Wirkungsgrad des Systems als Funktion der realen, erreichten Sonnenkonzentration stark ab.
Typisch für die geschilderten Linsensysteme sind zwei Varianten vorbekannt.
Die erste wurde von der tschechischen Firma Envi entwickelt (Patentanmeldung No. 284 185 in Tschechien) und besteht aus einer als fixe Dachhaut aus linearen Glasfresnellinsen aufgebauten Anordnung. (Markenname: Solarglas SG-1). Die unter dieser Dachhaut in Funktion des Sonnenstandes wandernden Brennlinien werden von aktiv über eine Sonnensensor bewegten Absorberrohren verfolgt. Eine Brennweitenkorrektur und eine Korrektur der bei schrägem Einfall (Elevation) resultierenden kaustischen Verzerrung der Brennlinie erfolgt nicht.
Die zweite vom Erfinder dieser Anmeldung et. al. angemeldeten Anordnung beinhaltet ein- oder zweiachsig der Sonnen nachgeführte Fresnellinsen, die sich unter einer transparenten Wind- und Wetterschutzhülle ebenfalls sensorgesteuert nach der Sonne ausrichten ( DPA 198 45 656 A1 ).
Der Hauptnachteil der vorbekannten Technologien besteht also in der grundsätzlichen Eigenschaft, daß optische Linsen in Funktion des Winkels der auftreffenden Strahlung ihre Brennweite ändern, und dieser Effekt nur durch entsprechend komplizierte Nachführ- und Regelmechanismen kompensiert werden kann.
Das Grundelement der vorliegenden Erfindung besteht daher aus einem Prismenstumpfkeil (PSK) zur Konzentration des Sonnenlichtes.
Ein solcher PSK, der aus einem transparenten, optisch dichtem Medium besteht, ist geometrisch so aufgebaut, daß er die unter einer vorgegebenen Winkelvariation Δα auf seiner Aperturfläche A einfallenden Strahlung durch Totalreflektion auf die kleinere Austrittsfläche B konzentriert. In 1 sind die grundsätzlichen optischen Gegebenheiten dargestellt.
Dabei ist (1) der aus einem hochtransparenten Stoff mit deutlich höherer Brechzahl als die umgebende Luft bestehende, langgezogene PSK. Seine der Sonne zugewandte Aperturfläche A (2) verjüngt sich in die kleinere Austrittsfläche B (3), die dadurch erhalten wird, daß bei einem gedachten, vollständigen Prismenkeil (---- Linie) der untere, in einer Linie mündende Teil so planparallel zur Eintrittsfläche (2) abgeschnitten wird, daß die mit der jährlichen Winkelvariation Δ? entsprechend der Elevation der Sonnen von ±23,5° = 47° auf der Eintrittsfläche A (2) auftreffende Sonnenstrahlung durch interne Totalreflektion an der Grenzfläche PSK/Luft vollständig auf die Austrittsfläche B (3) projiziert und gemäß dem Verhältnis A/B konzentriert wird.
Im einfachsten Falle eines achsensymmetrischen PSK wird dieser so positioniert, daß seine Neigung gegenüber der Horizontalen durch den Winkel γ (4), der der geographischen Breite des Aufstellungsortes entspricht, gegeben ist. Die Aperturfläche (2) zeigt dabei nach Süden, wobei die Längsachse des PSK von Ost nach West ausgerichtet ist. Die sich gegenüber der Senkrechteinstrahlung während der Äquinoktien (6) um ±23,5° ändernde saisonale Eintrittsrichtung kann vom PSK komplett durch Totalreflektion von (2) nach (3) transportiert werden.
Die somit dargestellte Grundversion des PSK kann also bei geeigneter Aufstellung (Apertur nach Süden, Neigungswinkel gegenüber der Horinzentalen = Breitengrad des Aufstellungsortes), ohne jegliche Nachführung das Sonnenlicht um den Faktor AB konzentrieren. Dabei kann neben dem direkten, parallelen Sonnenlicht auch das diffuse Licht das mit einer Winkelvarianten von 2 ⋅ α/2 bezüglich der Senkrechten zur Apertur hin einfallt, mit konzentriert werden. Alle Strahlen, die bezüglich dieser Achse mit Winkeln die größer als ±?/2 sind, einfallen, dringen zwar in den PSK ein, werden aber vor Erreichen von B (3) als diffuses Licht in den unterhalb des PSK gelegenen Raum austreten. Positioniert man erfindungsgemäß in der PSK Austrittsebene B (3) einen Strahlungsempfänger und Wandler, so wird der PSK grundsätzlich zum multifuktionalen solaren Strahlungskonzentrator. Seine Hauptfunktionen sind dabei:

1. Trennung des Außenraumes vom Innenraum (Dach, Fassade, Fenster → allgemein: Envelope).
2. Konzentration des Sonnenlichtes auf einem Strahlungsempfänger und Wandler (typisch: thermisch, photovoltaisch oder kombiniert).
3. Selektive Transmission des diffusen Lichtanteiles in den Innenraum, dadurch angenehme, blendfreie Beleuchtung und geringer Energieeintrag (indirekte Klimatisierung)

In 2 ist der Querschnitt durch einen typischen PSK dargestellt. Ist die Brechzahl des Keilmaterials beispielsweise 1,5 gegenüber der umgebenden Brechzahl der Luft von 1,0, dann kann der stationär nach Süden ausgerichtete PSK das Licht im günstigsten Falle mit einem Faktor von 3 der durch das Verhältnis der Flächen (2)/(3) gegeben ist, konzentrieren. Der Keilwinkel β/2 des PSK wird dabei so gewählt, daß er dem aufgrund des Überganges vom dünneren Mediums Luft (N₁ = 1) ins dichtere PSK Medium (N₂ = 1,5) verkleinerten Winkel β/2 entspricht (gemäß der bekannten Beziehung (sin ?/2)/(sin ß/2) = 1,5). Bei dieser erfindungsgemäßen Geometrie wird beispielsweise beim Tiefstand der Sonne im Winter der Randstrahl (7) parallel zur PSK Mantelfläche ohne weitere Reflexion in die Ebene (3) gelenkt. Der für diesen Sonnenstand ungünstigste Randstrahl (7a) wird dagegen gemäß der Totalreflexionsbedingung: sin ε_tot = N₁/N₂ = 1/1,5 → ε_tot= 41,9° zweimal reflektiert und in die Tiefe des Keiles gelenkt. Hier würde er beim Auftreffen auf die gegenüberliegende PSK-Wand die Bedingung der Totalreflexion nicht mehr erfüllen und aus dem PSK austreten. Deswegen ist erfindungsgemäß der unterste Teil des PSK aus dem die ungünstigsten Randstrahlen austräten, mit Planspiegeln (8) belegt. Diese reflektieren Strahl (7a) auf die Ebene (3). Am Beispiel des Mittelstrahles (7b), der mühelos (3) erreicht, ist dargestellt, daß es genügt, die Randstrahlen (7), (7a) zu betrachten, um eine Aussage über das "Schicksal" des gesamten restlichen Strahlungsfeldes machen zu können. Da die Winkelverhältnisse vom Wintertiefststand zum Sommerhöchststand symmetrisch bezüglich der Flächennormalen zu (2) sind, kehren sich die Strahlengänge vom Sonnenhalbjahr zum Winterhalbjahr hin und umgekehrt, lediglich von der rechten zur linken PSK Flanke und umgekehrt hin, um.
Die Konzentration des in 1 und 2 dargestellten stationären PSK variiert in Funktion der Jahreszeit. Dies hängt damit zusammen, daß die äußeren, im Randbereich von (2) auftreffenden Strahlen bei bestimmten Einfallswinkeln die Ebene (3) nicht erreichen. Dadurch verkleinert sich die effektive Fläche der Ebene (2) und damit die Strahlungskonzentration von (2) nach (3). Die jahreszeitliche Variation der Konzentration des geschilderten PSK ist in 3 wiedergegeben.
Bei vorgegebener Winkelvariation der auf einen fix nach Süden hin orientierten PSK auftreffenden Strahlen kann also erfindungsgemäß ein vollkommen stationärer Solarkonzentrator realisiert werden. Je höher hierbei das Verhältnis der Brechzahlen N₁/N₂ ist, desto stärker kann das Sonnenlicht konzentriert werden. Für kostengünstige und bewährte Materialien wie beispielsweise P.M.M.A. liegt die Brechzahl bei ca. 1,5, womit maximale Konzentrationsfaktoren von c = 3 erreichbar sind. Da der Konzentrationsfaktor jahreszeitlich schwankt, ist mit dieser ersten, erfindungsgemäß vollstatischen PSK Variante ein mittlerer Konzentrationsfaktor von ca. 2,6 realisierbar.
Dies kann besonders dann wirtschaftlich interessant sein, wenn der Strahlungsempfänger ein photovoltaisches Modul ist. Dazu sind erfindungsgemäß zwei Maßnahmen nötig. Zum ersten muß der Materialaufwand und damit der Preis des PSK Elementes möglichst gering sein, damit der Einsparungseffekt am spezifisch teuren PV Modul (der durch die Reduzierung der benötigten Fläche gegenüber PV Module ohne Lichtkonzentration zustande kommt) sich auszahlt. Zum zweiten muß das PV Modul passiv oder aktiv gekühlt werden.
Die erste Maßnahme wird durch möglichst kleine geometrische Abmessungen des PSK realisiert. Dies wird in der Praxis nur durch die technisch realisierbare geringste Streifenbreite des PV Moduls begrenzt. Aus optischer Sicht sind beispielsweise PSKs mit Millimeterabmessungen noch sehr groß im Verhältnis zu den Wellenlängen des einfallenden Lichtes und daher voll funktionsfähig. Während heute übliche kristalline, multikristalline und polykristalline Module typisch bis zu einigen nun Streifenbreite hergestellt werden können, könnten moderne, direkt auf die untere Seite des PSK aufdampfbare Dünnschichtsolarzellen um eine bis mehrere Größenordnungen kleiner sein.
Die zweite Maßnahme zur Kühlung der Zellen kann im einfachsten Falle passiv erfolgen, indem die Rückseite des PV-Streifens typisch mit Wärmeableitungsfins, wie sie auch aus der Elektronik bekannt sind, versehen werden. Damit wird allerdings die Wärme dem unterhalb des PSK-Systems liegendem Raum zugeführt.
Deswegen ist prinzipiell eine aktive Kühlung des Moduls, bei dem die Wärme in Form eines transportablen Fluid entzogen wird, vorzuziehen. Grundsätzlich kann eine solche Kühlung durch einen auf der Rückseite des PV Moduls angebrachten, durchströmten Kühlkörper (z.B. ein mit dem Modul gut wärmeschlüssig verbundenes, wasserdurchströmtes Metallrohr) bewerkstelligt werden.
Aus physikalischen Gründen ist jedoch die vorderseitige, aktive Kühlung des PV Moduls vorteilhafter. Eine solche Kühlvorrichtung wurde vom Erfinder der vorliegenden Anmeldung bereits angemeldet (D.P.A.: DE 199 23 196 A1 ). Dieser Typus der Zellenkühlung ist für die PSK-Systeme besonders vorteilhaft. Das Grundprinzip ist aus 4 ersichtlich. Das PV Module (9) bildet den Abschluß des PSK und liegt in der Austrittsfläche (3). Oberhalb des Moduls befindet sich im PSK Körper ein kastenförmiger Kanal (10), dessen Breite (9) der Breite der Austrittsfläche B (3) entspricht. In dem Kanal fließt ein Kühlfluid, das zusätzlich erfindungsgemäß folgende Aufgaben übernimmt beziehungsweise Eigenschaften aufweist: 1. Das Fluid ist für den photovoltaisch relevanten Strahlungsanteil durchsichtig. 2. Die Brechzahl des Fluides ist entweder gleich groß oder größer als die des PSK Körpers (bei gleich großer Brechzahl verlaufen die Strahlen als sei der ganze PSK aus dem gleichen Grundmaterial aufgebaut; bei größerer Brechzahl treffen die Strahlen steiler auf dem Strahlungsempfänger (PV-Modul) auf, was in der Regel erwünscht wird. 3. Das Fluid ist elektrisch isolierend. 4. Das Fluid bleibt im weiten Temperaturbereich flüssig (typisch –30°C ≤ t ≤ 150°C).
Weitere Auswahlkriterien sind: ungiftig, photostabil und nicht brennbar.
Die Dimensionierung des Kanals erfolgt nach den bekannten Gesetzen der Hydrodynamik und des Wärmeüberganges so , daß eine minimale Pumpleistung zur Erzielung des gewünschten Kühleffektes aufgebracht werden muß.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Variante, bei der nur noch die Wände des PSK aus transparenten Platten eines festen Materials (z.B., P.M.M.A. oder Glas) bestehen, während das Volumen von der optischen Immersions- und Kühlflüssigkeit ausgefüllt wird. Dabei stellt (11) die Flüssigkeit dar, (12) die plattenförmige Wände. Diese Variante kann besonders vorteilhaft sein, wenn spezielle Transmissionseigenschaften für das Sonnenlicht gewünscht werden. Zur Vermeidung von Totalreflexionen dürfen die Unterschiede zwischen der Brechzahl des Wandmaterials und dem der Flüssigkeit nicht zu groß sein. Beachtet man dies, so werden die einfallenden Strahlen von System Platte – Flüssigkeit so gebrochen, als sei der ganze PSK aus einem Material aufgebaut, dessen optische Brechzahl dem arithmetischen Mittel der Brechzahl der Wand und dem der Flüssigkeit entspräche.
Will man mit dem bisher geschilderten stationären PSK System höhere mittlere Jahreskonzentrationen als ca. 2,6 erreichen, bleiben erfindungsgemäß zwei Möglichkeiten: 1. Die Wahl von Materialien höherer optischer Brechzahl. 2. Die Einführung dynamischer Komponenten.
Während die erste Bedingung eine Funktion des Preises und/oder der vorgängig an die Flüssigkeit gestellten Bedingungen ist, eröffnen sich für die Bedingung 2 erfindungsgemäß verschiedene Möglichkeiten, deren wichtigste im Folgenden dargestellt wird.
In 6 ist ein PSK mit optisch schaltbaren „Hut" dargestellt. Erfindungsgemäß sitzt hierbei auf einem bisher geschilderten PSK ein Aufsatz, dessen Querschnitt ein gleichschenkeliges Dreieck bildet, das aus durchsichtigen Platten (13) gebildet wird, und das in der Mitte durch einen senkrecht auf der Eintrittsapertur von (1) stehenden Planspiegel (14) unterteilt ist. Eine der durch diesen Spiegel aufgeteilten gleich großen Kammern ist mit einer optischen Flüssigkeit (15) gefüllt, die mittels der Pumpe (16) wahlweise in die andere Kammer gepumpt werden kann. Der Sinn dieser Anordnung kann anhand der Strahlengänge (17), (17a) und (17b) erkannt werden. Wird beispielsweise die linke Kammer mit einer Flüssigkeit der Brechungszahl 1,46 gefüllt, so werden die Strahlen 17–17b, die den Höchststand der Sommersonne repräsentieren aufgrund der Neigung der linken „Huthälfte" und der Brechung in der Flüssigkeit tief in den PSK gelenkt. Die auf die rechte luftgefüllte Huthälfte treffenden Strahlen werden durch den Reflektor in den PSK gelenkt. Eine solche Anordnung mit erfindungsgemäßen schaltbaren optischen Umlenker, kann, obwohl der Gesamt-PSK statisch ist, die mittlere Jahreskonzentration auf 4 erhöhen.
Eine weitere, erfindungsgemäße Maßnahme zur Erhöhung der mittleren Jahreskonzentration eines PSK ist in 7 dargestellt. Dabei stellt (18) einen jeweils voll vertikal ausfahrbaren beziehungsweise einfahrbaren Planspiegel dar, der je nach Sonnenstrahleinfallsrichtung längs der rechten oder linken Kante der PSK Eintrittsapertur hoch- oder heruntergefahren wird. Die Höhe des Spiegels (18) ist so ausgeführt, daß die äußeren Extremstrahlen (19) (jeweils zum Wintertiefstand bzw. Sommerhöchststand) gerade noch auf den gegenüberliegenden Rand der PSK Eintrittsaperiur (2) treffen. Während des Sommerhalbjahres ist der rechte Spiegelstreifen hochgefahren, der linke eingezogen, während des Winterhalbjahres ist es umgekehrt. Über das Jahr gemittelt wird ein solcher mit saisonal ausfahrbaren Planspiegeln ausgerüsteter PSK eine Konzentrationserhöhung um den Faktor 2^½ = 1,4 aufweisen. So kann beispielsweise der mittlere Konzentrationsfaktor des in 2 dargestellten PSK durch Ergänzung mit den beschriebenen Planspiegelboostern von C = 2,6 auf c = 3,6 erhöht werden, der der PSK-Variante aus 6 von c = 3,9 auf c = 5,5.
Die mit 6 und 7 dargestellten PSK Varianten sind Ergänzungen zur rein statischen Grundvariante bei denen der eigentliche PSK ortsfest bleibt. Gestattet man jedoch eine kontinuierliche Drehung des Gesamt PSK um die Ost-West Achse. So entsteht eine dritte erfindungsgemäße Variante mit besonderen Vorteilen.
Wie aus 8 hervorgeht, kann ein solcher, mit einem flachen „Hut" (21) versehener PSK aus P.M.M.A. (n = 1,5) aufgrund der über das ganze Jahr in der Bildebene parallel zur Mittelachse (20) einfallenden Strahlung, das Licht kontinuierlich mit dern Konzentrationsfaktor c = 6 verdichten (c = Fläche (2)/Fläche (3)).
Ein aus dieser Version des PSK aufgebautes, komplettes Dachelement ist in 9 schematisch in der Seitenansicht dargestellt. Es besteht aus parallel nebeneinander angeordneten, drehbaren PSK Elementen (1), die zwischen zwei transparenten Scheiben (26), (27) untergebracht sind. Das Kühlfluid fließt jeweils kurz vor dem Ende eines PSK aus dem Kanal (10) oberhalb des Solarmoduls (9) über eine Steigleitung (22) zum als Hohlwelle ausgeführtem Abflußrohr (23), das gleichzeitig als Drehachse des PSK ausgeführt ist, und mündet in das Sammelrohr (23a). Die an diesen Drehachsen befestigten Zahnräder (24) werden simultan durch die motorisch angetriebene Zahnstange (25) mittels der Signale eines kleinen, auf der Spitze eines PSK angebrachten Sonnenrichtungssensors (28), immer in Sonnenrichtung gedreht.
Besonders vorteilhaft bei dieser Variante des PSK ist die über das Jahr konstante Lichtkonzentration und die Möglichkeit, im weiten Elevationswinkelbereich der Sonne nachzufahren. Dies ermöglicht insbesondere die Montage in Dachflächen, deren Neigungwinkel stark vom Winkel der jeweiligen geographischen Breite abweichen.
Unter Berücksichtigung der entsprechenden Schattenabstände kann die nachgeführte Variante auch im Tagesgang über die Nord-Südachse nachgeführt werden.
Alle beschriebenen erfindungsgemäßen PSK-Systeme erfüllen die Eingangs beschriebenen Kriterien der Multifunktionalität. Bei der letztbeschriebenen Variante kann durch Herausdrehen der PSK-Elemente aus der Normalen zur Sonne wahlweise praktisch der gesamte, auf die Eintrittsapertur fallende Lichtstrom in Form von diffusem Licht in den darunterliegenden Raum gelenkt werden. Dies kann beispielsweise für Pflanzenkulturen interessant sein, die zu bestimmten Zeiten eine hohe Lichtintensität benötigen.
Neben der beschriebenen, wirtschaftlich besonders interessanten kombinierten Erzeugung von elektrischem Strom, Wärme und diffusem Licht sind insbesondere Varianten interessant, die Wärme und Licht liefern.
In 10 ist ein PSK mit einem thermischen Absorber schematisch dargestellt. Dabei liegt unterhalb des Fluidkanales (10) statt einem photovoltaischen Moduls ein schwarzer Absorber (29), der die durch das Fluid durchdringende, vom PSK verdichtete Strahlung in Wärme umwandelt und diese an das Fluid, das über die Leitung (22) zum Abflußrohr (23) fließt, abgibt. Besonders vorteilhaft ist es, die schwarze Absorberplatte unterhalb des nach unten mit einer transparenten Platte abgeschlossenen Fluidkanales (10), seitlich verschieblich anzuordnen. Dies gestattet es erfindungsgemäß bei der Position (29a) der Absorberplatte auch den direkten Lichtfluß in das Gebäude dringen zu lassen. Dies kann stufenweise geschehen, so daß additiv zu dem aus den Seitenwänden des PSK dringenden Diffuslichtes eine gewünschte Menge „Direktlichtes, das durch die Reflexionsvorgänge im PSK „quasi-diffus" wurde, hinzugefügt würde.
In 11 ist eine weitere Verbesserung der Form des PSK dargestellt. Es besteht aus einem Keil mit einem facettenförmigen Aufsatz. Hier kann die Dauerkonzentration den Faktor 3 bei der stationären Variante erreichen und bei der nachgeführten Variante den Faktor 10.

Claims

Prismenstumpfkeil (PSK) zur Konzentration von Sonnenlicht dadurch gekennzeichnet, daß alle innerhalb eines definierten Divergenzwinkelbereiches auf die großflächige Aperturfläche des PSK fallenden Strahlen durch Totalreflexionen an der Grenzfläche zwischen den PSK-Flanken und der Umgebungsluft und zusätzlicher spiegelnder Reflexionen im Endbereich des PSK auf die kleinere Austrittsfläche projiziert werden.
PSK nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß alle Strahlen, die unter einem größeren als dem definierten Divergenzwinkel auf die Eintrittsapertur fallen, die Seitenflanken des PSK verlassen und dem darunterliegenden Raum als diffuses Licht zur Verfügung stehen.
PSK nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene der Austrittsfläche ein Strahlungsempfänger und – Wandler angebracht ist.
PSK nach Anspruch 1., 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungswandler entweder elektrische oder thermische Energie erzeugt, oder eine Kombination von beiden.
PSK nach Anspruch 1., 3., 4. dadurch gekennzeichnet, daß direkt oberhalb des Strahlungswandlers im Material des PSK ein Kanal ausgeführt ist, der von einem transparenten Fluid der gleichen oder einer höheren Brechzahl als das Material des PSK durchflossen wird.
PSK nach Anspruch 1., 4., 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungswandler ein photovoltaisches Modul ist.
PSK nach Anspruch 5., 6. dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid folgende Funktionen erfüllt: Kühlung des PV-Moduls, optische Anpassung und elektrische Isolation.
PSK nach Anspruch 1., 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungswandler nur thermische Energie erzeugt und hierzu der Boden des Kanals schwarz ausgeführt ist.
PSK nach Anspruch B. dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Kanals als seitlich verschiebbare Platte ausgeführt ist und auf diese Weise ein gewünschter Anteil des konzentrierten Lichtes durch den durchsichtigen Kanalboden in den darunter liegenden Raum gelangen kann.
PSK nach Anspruch 1. – 9. dadurch gekennzeichnet, daß das System fix installiert ist, die Aperturfläche nach Süden zeigt und gegenüber der Horizontalen einen Neigungswinkel aufweist, der dem örtlichen Breitengrad möglichst genau entspricht.
PSK nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Jahreskonzentration des stationären Konzentrators durch einen jahreszeitlich hydraulisch schaltbaren optischen Aufsatz erhöht wird.
PSK nach Anspruch 10. und 11. dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Jahreskonzentration des stationären Konzentrators durch vertikal verfahrbare, links und rechts am PSK angebrachte Planspiegel zusätzlich verstärkt wird.
PSK nach Anspruch 1., 2., 3., 4., 5., 6., 7., 8., 9. dadurch gekennzeichnet, daß die nach Süden ausgerichteten Optiken um eine in der Ost-West Achse liegende Drehachse kontinuierlich in ihrer Elevation verstellt werden können.
PSK nach Anspruch 13. dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Konzentration und zur Verkürzung des Elementes auf der Aperturfläche ein geeigneter, im Querschnitt als gleichseitiges Dreieck ausgeführter Aufsatz sitzt.
PSK nach Anspruch 13. dadurch gekennzeichnet, daß die das Kühlfluid zum Sammelrohr zu- und abführende Leitung als Drehachse für den PSK dient.
PSK nach Anspruch 15. Und 13. dadurch gekennzeichnet, daß viele, parallel angebrachte Optiken mit Hilfe eines Sonnenrichtungssensors über eine motorisch angetriebene Zahnstange und um die Drehachsen angeordnete Zahnräder immer senkrecht zum Elevationsvektor der Sonne ausgerichtet werden.
PSK nach Anspruch 13., 14., 15., und 16. dadurch gekennzeichnet, daß die flächig parallel drehbar nebeneinander geordneten einzelnen PSKs zwischen zwei transparenten Scheiben angeordnet sind, und somit als multifunktionale Dach, Fassaden und Fensterelemente dienen.
PSK nach Anspruch 1.–17. dadurch gekennzeichnet, daß die PSK Wandungen aus transparenten Platten bestehen und das Innere des so gebildeten Hohlkörpers mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllt ist.