DE19854391A1 - Prismensysteme zur Lichtlenkung und Umwandlung von Solarstrahlung in thermische und elektrische Energie - Google Patents

Abstract

Es wird eine Anwendung der Gruppe Sammellinse zur Lichtlenkung und für den Einsatz in der Solartechnologie beschrieben. Hierbei liegt der Konzentrationsfaktor bei autofokussierenden mechanisch nicht nachgeführten Sammellinsen bei mindestens 1 : 6. Ein Verstärkungsfaktor von mehr als 1 : 8 und 1 : 20 und höher wird erreicht durch die Nachführung von Reflektoren oder Prismen mit Hilfe von gegengekoppelten thermischen Schaltelementen. Eine Verschattung des Absorbers und der Photovoltaik mittels thermischer Schaltelemente verhindert eine Überhitzung. Miteinander steckbare Linsensysteme erweitern die Einsatzmöglichkeiten für Lichtlenkung und Kollektortechnik.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische teils autofokussierende teils mit thermischen Stellelementen nachgeführte Vorrichtungen, die sowohl zur Gewinnung von thermischer und/oder elektrischer Energie aus Sonnenlicht, wie auch zur Lichtlenkung oder -bündelung bzw. Lichtstreuung in gewünschte Richtungen eingesetzt werden kann.

Für die thermische und/oder elektrische Energiegewinnung wird die optische Vorrichtung zum Solarkollektor, der entweder einen länglichen Absorber über seine Länge hinweg umfänglichen oder zumindest teilweise umschließenden oder aber einen rundflächigen Absorber, das Sonnenlicht auf den Absorber konzentrierenden Prismenkonzentrater, aufweist.

Solarkonzentratoren mit optischen Energiekonzentratoren sind bekannt. Diese besagten Ausführungen beruhen entweder auf dem Prinzip einer Fresnel-Linse, einer Sammel-Linse oder einer Streu-Linse (siehe hierzu die Druckschriften US-A-4-022 186, US-A-4-069 812 und US-A-4-337 759) womit Solarkonzentrationen von max. 1 : 1,9 erreicht werden. Im Falle des Europäischen Patentes Nr.: 076 7889 werden Prismen eingesetzt, die in ihrem Aufbau von Umkehr-Linsen abgeleitet sind. Sie sind in ihrem Querschnitt gleichschenkelig ausgebildet und ihre Linsenspitzen sind dem Absorber zugewandt. Ihre, dem Sonnenlicht zugewandten Außenflächen sind konvex gekrümmt. Der Solar-Konzentrationsfaktor liegt bei 1 : 2,5 und wird ohne mechanische Nachführung - also autofokussierend - erreicht.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Solar-Konzentrationsfaktor autofokussierend von mindestens 1 : 6 erreicht. Er liegt damit höher als alle bisher erreichten autofokussierenden Solar-Konzentrationsfaktoren. Konzentrationsfaktoren von 1 : 7 und mehr werden bei der vorliegenden Erfindung durch den Einsatz einer Steuerung der Linsen oder Reflektoren erreicht. Hierbei entfallen sonst übliche Steuerungen mittels Servomotoren oder Actoren und der notwendig zugehörenden elektronischen Steuerungen. Dieser Umstand ist insbesonders in Ländern mit schwacher oder stark unterentwickelter Infrastruktur oder stark eingeschränkten finanziellen Mitteln von entscheidender Bedeutung für den Einsatz erneuerbarer und ökologisch wirksamer Energie. Reparaturen, die bei hochkomplizierter Technik auftreten, sind nur mit hochausgebildeten und damit kostenintensivem Personal möglich. Diese, und ihre Folgekosten können in unterentwickelten Regionen nur schwer oder gar nicht aufgebracht werden. Die Folgen sind: Verfallende, nicht mehr zu nutzende technische Systeme.

Die vorliegende Erfindung kennt entweder keine mechanisch bewegten Teile, oder, wenn eine maximale Energieausbeute der Sonnenstrahlung erreicht werden soll, sieht eine vorliegende Erfindung eine Linsennachführung mittels thermischer Stellelemente vor.

Wird ein linien- oder punktförmig fokussierendes, zur Nord-Süd-Richtung achsensymmetrisches und auf den mittäglichen Sonnenstand ausgerichtetes Kollektorsystem der Sonne nicht nachgeführt, so durchwandert der sich mit zunehmendem Abstand von der Mittelstellung immer mehr verwaschende Fokus innerhalb eines Tages eine zur Mittelebene symmetrische Bahn. Sind die photovoltaisch relevanten und normalerweise gekühlten Elemente zur korrekten Funktion um die Mittagsstellung der Sonne ausgelegt, so wird nur in diesem Zeitbereich ein nennenswerter Anteil der einfallenden Strahlungsenergie abgeführt. In den verbleibenden Zeiträumen verbleibt die Energie im Kollektorsystem und steht damit prinzipiell zur Nachführung des Kollektorsystems zur Verfügung und zwar genau solange, bis das System die Strahlung wieder auf der gekühlten Photovoltaik kollimiert. Zur Umwandlung der Strahlungsleistung in eine die Nachführung treibende mechanische Kraft kann dabei die Ausdehnung von thermischen Stellelementen verwendet werden. Außerdem sind Umsetzungen der Strahlungsleistung in mechanische Leistung über ein System mit einem Phasenübergang (z. B. Heben des Sicherheitsventils im Dampfkochtopf) durchaus denkbar. Nach optimal erfolgter Nachführung bricht die Energiezufuhr, für die Nachführung aus den oben geschilderten Gründen jedoch wieder zusammen, so daß das Kollektorsystem nunmehr stehenbleiben oder in die durch Federelemente vorgegebene Ruhelage einschwenken würde. Tatsächlich würde sich das System bei fortdauernder Einstrahlung im letzteren und praxisgerechten Fall jedoch so einstellen, daß ein geringer Anteil der Strahlungsleistung zur Beibehaltung der Position auf das Nachführsystem fällt und der Hauptanteil die Photovoltaik bzw. Absorber bedient.

Ein wesentlicher Nachteil eines solchen Nachführsystems ist jedoch in der mangelnden Selektivität der Energiezufuhr für das Antriebssystem zu sehen. So würde z. B. ein Bimetall- Streifen in gleicher Weise auf eine Erwärmung durch Strahlungsenergie oder durch die Umgebung reagieren und hätte deshalb in einer heißen Wüste andere Nachführeigenschaften als in einer Eislandschaft.

Die prinzipielle und patentrechtlich zu schützende Idee liegt in der Abhilfe dieses Umstandes durch den Einsatz zweier gleichartiger, aber in ihrer Reaktionsrichtung gegengerichteter thermischer Stellelemente so daß sich bei identischen Systemtemperaturen die entstehenden Kräfte gegeneinander aufheben und den Kollektor bei allen Außentemperaturen in der Ruhestellung belassen. Werden beide Antriebssysteme ebenfalls symmetrisch zur Mittelachse des Kollektors derart positioniert, daß die nicht auf die Photovoltaik einfallende bzw. Absorber-Strahlung vorrangig das zur korrekten Nachführung führend Antriebselement erwärmt, so kann eine sehr kostengünstige und wartungsarme Nachführung erreicht werden. Diese Technologie der Linsen- und/oder Reflektorsteuerung kann nach der vorliegenden Erfindung auch zur Verschattung und damit zum Schutz vor Überhitzung der Photovoltaik und der Absorber dienen. Wird bei starker Sonneneinstrahlung und dem hohen Konzentrationsfaktor der Linsen - sowohl bei autofokussierendem mechanisch nicht nachgeführtem wie bei mechanisch nachgeführtem System - die thermische Energie einmal nicht abgeführt, so ist eine Überhitzung die Folge. Um dies zu verhindern, wird, in Abhängigkeit einer nicht zu überschreitenden Grenztemperatur, ein Reflektor über Photovoltaik und/oder Absorber geschwenkt.

Ungeachtet der Vorteile für unterentwickelte Länder, nutzt die hier vorliegende Erfindung die einfallenden Solarstrahlungen auch in gemäßigten Zonen wesentlich stärker aus und ist damit wirtschaftlicher als bisher auf dem Markt angebotene Solarkollektoren. Der Konzentrationsfaktor ist auch ein Maßstab für den verminderten Flächeneinsatz von Photovoltaik ohne verminderten Energiegewinn. Der Konzentrationsfaktor bestimmt somit die Verminderung der photovoltaischen Kosten. Im hybriden Verbund - Thermie und Photovoltaik-Energie - verringern die Energiekosten in einem Maße, daß sie mit herkömmlichen konservativen Energiekosten konkurrenzfähig sind.

Die in der vorliegenden Erfindung beschrieben Linsensysteme sind sowohl als Einzellinsen wie auch in der Zusammenschaltung bajonettähnlicher Steckvorrichtung zu großflächigen Solarkollektoren oder Lichtlenksystemen zusammensteckbar. So kann für jeden individuellen Einsatzfall ein maßgeschneidertes System installiert werden. Nur bei ausreichend hohen Installationsstückzahlen kann ein Linsensystem aus einem Stück im Extrudierverfahren weiter preissenkend hergestellt werden. So werden auf Dächern von denkmalgeschützten Häusern Einzellinsen das Gesamtbild nicht stören, während in schwach- oder nichtbewohnten Gegenden Kollektoren nach ihrer gewünschten Effektivität ausgelegt werden können.

Basis dieser hier vorgestellten Erfindung ist einmal eine Sammellinse mit zwei Hauptebenen in bikonvexer symmetrischer Ausführung, Zweitens eine Sammellinse in asymmetrischer bikonvexer Ausführung mit einem größeren Abstand zwischen den beiden Hauptebenen. Drittens eine bikonkavkonvexe Linse die sowohl einstückig wie auch aus zwei Teilen hergestellt werden kann. Welch Linsensystem zum Einsatz kommt, bestimmt sein Einsatzzweck und sein Einsatzort. So bestimmt die notwendige Erzeugung von Prozeßwärme ein anderes Linsensystem mit einem hohem Konzentrationsfaktor, als ein Linsensystem für einen Niedertemperatur-Kollektor mit einem geringeren Konzentrationsfaktor.

Diese Variabilität ermöglicht auch den Bau und Einsatz von Dachpfannen aus transparentem Material als Teil einer Dachabdeckung und gleichzeitig als Solarkollektor. Die Abmessungen zu den konventionellen Dachpfannen bleibt erhalten. Der gewölbte der Sonnenseite zugewandte Rundungsteil der Dachpfanne ist dann optisch durchsichtig und mit Prismen versehen, während der Rest der Dachpfanne farblich den herkömmlichen Dachpfannen angeglichen werden kann.

Während Flachkollektoren nur einem Bewegungswinkel der Sonne von 120° nachfolgen können, nicht autofokussierende Rohrkollektoren geringfügig mehr an Sonnenbewegung wirksam sind, kann die hier vorgeschlagene Technologie der autofokussierenden Linsen erfindungsgemäß mindestens 160° der Sonne nachfolgen. Das ergibt eine jährliche Mehrausbeute an Solarenergie von 974 Stunden.

Als Lichtleitsystem kann eine Linsenanordnung sowohl Licht bündeln als auch streuen. Diese Gesetzmäßigkeit macht den Einsatz von Linsensystemen nicht nur als Solarkollektor möglich, sondern kann ebenfalls zur Lichtlenkung - als Lichtarchitektur bezeichnet - in kleinen wie auch in vielstöckigen Häusern oder Hallen zur Ausleuchtung von Räumlichkeiten eingesetzt werden.

Die Außenflächen der Prismenkörper die der Witterung ausgesetzt sind, werden je nach Einsatzregion und -zweck mit einer schmutzabweisenden oder mit einer kratzfesten und gleichzeitig schmutzabweisenden Beschichtung versehen. Dieser Überzug verändert nicht die optischen Eigenschaften des Linsensystems. Prismenkörper in Einsatzgebieten mit der Gefahr von Sandstürmen werden mit dem kratzfesten und schmutzabweisenden Überzug und in den restlichen Regionen, wie z. B. in den gemäßigten Klimazonen, werden die Prismenkörper nur mit einer schmutzabweisenden Beschichtung versehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung und besondere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungs- und Anwendungsbeispielen enthalten.

Anhand der Zeichnung soll nun die Erfindung beispielhaft erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Schnittzeichnung eine bikonvexe Sammellinse mit zwei im engen Abstand voneinander liegenden Hauptebenen.

Fig. 2 eine alternative Auslegung der Sammellinse von Fig. 1 mit der zusätzlichen Möglichkeit der Erweiterung die Sammellinse durch Zusammenstecken mit den bajonettartigen Steckverbindungen in beliebiger Anzahl.

Fig. 3 in einer schematischen Schnittzeichnung eine bikonkavkonvexe Sammellinse.

Fig. 4 eine alternative Auslegung der Sammellinse von Fig. 3 mit der zusätzlichen Möglichkeit wie in Fig. 2 beschrieben.

Fig. 5 eine schematische Stirnansicht einer asymmetrischen bikonvexen Sammellinse mit zwei in einem größeren Abstand voneinander liegenden Hauptebenen mit zwei seitlichen Reflektoren.

Fig. 6 eine schematische Perspektivansicht einer asymmetrischen bikonvexen Sammellinse von Fig. 5 mit der zusätzlichen Möglichkeit der Erweiterung der Sammellinsen wie in Fig. 2 beschrieben und der dazu analogen perspektivischen Darstellung der beiden Reflektoren von Fig. 5.

Fig. 7 eine schematische Stirnansicht einer asymmetrischen bikonkavkonvexen Sammellinse mit zwei in einem größeren Abstand voneinander liegenden Hauptebenen.

Fig. 8 eine Schnittzeichnung einer Anordnung von asymmetrischen bikonvexen Sammellinsen zu einer Halbkugel geformt.

Fig. 9 eine schematische Stirnansicht von vier in einer geraden Ebene liegenden asymmetrischen bikonvexen Linsen als Beispiel einer möglichen Anordnung.

Fig. 10 eine schematische Stirnansicht von einer Vielzahl von asymmetrischen bikonvexen Linsen die zu einem Kreisausschnitt angeordnet sind und wie eine Streulinse in ihrer Gesamtheit wirken.

Fig. 11 in einer schematischen Schnittzeichnung eine Vielzahl von asymmetrischen bikonvexen Linsen die kaskadenmäßig versetzt zu einer Kugelkappe angeordnet sind als Sammellinsen in ihrer Gesamtheit wirken.

Fig. 12 in einer Schnittzeichnung ein Hybrid-Kollektor-Prismen-Rohr mit einer bikonvexen Sammellinse, einem viereckigen Absorberrohr und einem oberhalb dieses Absorberrohres liegender photovoltaischer Zelle sowie einem Reflektor. Das Prismen-Rohr ist aus einem einstückigem, optisch durchsichtigem Material gefertigt.

Fig. 13 in einer Schnittzeichnung ein Hybrid-Kollektor-Prismen-Rohr mit einem bikonkavkonvexen Linsensystem, wobei die äußere Linsenhälfte und das Rohr aus einem einstückigen optisch durchsichtigen Material gefertigt ist, und die untere Linsenhälfte gesondert gefertigt und nachträglich in das Prismenrohr mit der dafür vorgesehenen Halterung eingeschoben wird. Ferner das viereckige Absorberrohr mit obenliegender photovoltaischer Zelle und einem Reflektor.

Fig. 14 eine schematische Stirnansicht von drei asymmetrischen bikonvexen Linsen die durch Hinzufügen von weiteren gleichen Linsen durch Zusammenstecken zu einem Halbkreis (gestrichelte Linie) und mit einer unteren halbrunden Schale zu einem Kollektor-Prismen-Rohr ergänzt worden ist. Mittig im Rohrsystem befindet sich ein viereckiges Absorberrohr. Mit der Photozelle ist der Kollektor zu einem Hybrid-Kollektor erweitert worden.

Fig. 15 eine schematische Stirnansicht wie Fig. 14 jedoch sind die Linsen und die untere Halbschale aus einem Stück hergestellt. Zusätzlich sind Reflektoren zur Lichtstrahllenkung eingebaut.

Fig. 16 in einer Schnittzeichnung der zusammengesteckten Linsen, wobei eine bikonkavkonvexe Sammellinse mit zwei asymmetrischen bikonvexen Linsen zu einem Linsensystem zusammen mit einem Gehäuse vereint sind. Ferner einem viereckigen Absorber mit obenliegender Photovoltaik und einem Reflektor.

Fig. 17 eine Perspektivansicht einer Dachpfanne aus optisch durchsichtigem Material in der die Linsen integraler Bestandteil sind. Die Linsen können auch nach Fig. 1 bis Fig. 6 oder eine Kombination davon sein.

Fig. 18 eine Prinzipzeichnung eines Sonnenkollektors mit einem äußeren nicht strukturierten optisch durchsichtigen Schutzrohr mit einem innenliegenden fokussierenden Prismenrohr, das durch einen gegengekoppelten thermischen Stellelement der Sonne nachgeführt wird.

Fig. 19 in einer Querschnittzeichnung des Kollektors nach Fig. 18.

Fig. 20 in einer Querschnittzeichnung des Kollektors nach Fig. 18 mit gegengekoppelten thermischen Stellelementen.

Fig. 21 wie Fig. 19.

Fig. 22 in einer Schnittzeichnung ein Kollektor-Prismen-Rohr wie in Fig. 12 mit einer bikonvexen Sammellinse aber zwei thermischen Stellelementen zur gegengekoppelten Steuerung, einem U-förmigen Reflektor und einem runden Absorberrohr.

Fig. 23 in einer Schnittzeichnung wie Fig. 22 wobei das rechte thermische Stellelement sich durch eine intensivere Sonnenbestrahlung nach rechts ausgedehnt hat, der Reflektor dieser Ausdehnung folgte. Das linke thermische Stellelement eine aufgrund der geringeren Sonneneinstrahlung ein Zusammenziehen seiner Form bewirkt. Die gestrichelten Linien zeigen die gegenteilige Ausdehnung der thermischen Stellelemente bei einer Sonneneinstrahlung von der Gegenseite und die daraus resultierende Nachfolge des Reflektors nach links.

Fig. 24 in einem Ausschnitt eine Schnittzeichnung wie Fig. 22 zu einem Hybrid- Kollektor aber mit einem viereckigen Absorberrohr und einer photovoltaischen Zelle.

Fig. 25 eine Darstellung eines halbkreisförmigen Schutzreflektors, gesteuert von einem thermischen Stellelement, das die Überhitzung des Absorbers und der Photovoltaik durch Sonneneinstrahlung und nicht abgeführter thermischer Energie durch die temperaturbedingte Ausdehnungsveränderung des thermischen Stellelementes verhindert, indem der halbkreisförmige Reflektor gesteuert vom thermischen Stellelement sich über die Photovoltaik und dem Absorber legt (gestrichelte Linie).

Fig. 26 eine Prinzipzeichnung zur Lichtsteuerung in einem 4-Etagen-Gebäude mit einem Lichthof. Über dem Lichthof ein Dach aus Sammellinsen zum Einfangen und Umlenken des Sonnenlichtes mit nachfolgender Verteilung des Strahlenganges in den einzelnen Etagen.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind gleiche Teile stets mit gleichen Bezugsnumerierungen versehen, so daß jede nur einmal unter Bezugnahme auf eine der Zeichnungsfiguren vorkommende Beschreibung eines Teils analog auch bezüglich der anderen Zeichenfiguren gilt, indem dieses Teil mit der entsprechenden Bezugsnumerierung ebenfalls zu erkennen ist.

Wie sich zunächst aus Fig. 1 ergibt, ist eine Linse (1) eine bikonvexe Sammellinse mit zwei in engen Abstand voneinander liegenden Hauptebenen (2 und 3). Die Zeichnung Fig. 1 und alle folgenden Zeichnungen sind stark schematisierte, d. h. nicht maßstabsgerechte Zeichnungen. Die Linse (1) fängt die auftreffenden Sonnenstrahlen ein und gibt sie auf der anderen Seite der Linse stark gebündelt wieder, wobei der Brennpunkt in einigem Abstand der Linse analog zur einachsigen Sonnenbewegung aber in einem kleineren Winkel mitwandert.

Fig. 2 zeigt zunächst die gleiche Linse wie in Fig. 1. Sie weist jedoch zusätzlich noch eine Nut (4) und eine sogenannte Feder (5) auf, um ein Zusammenfügen der Linse mit anderen Linsen zu ermöglichen. Aus Gründen der besseren Übersicht ist jeweils die Nut (4a) und die sogenannte Feder (5a) im Ausriß vergrößert dargestellt.

Fig. 3 zeigt in einer Schnittzeichnung eine bikonkavkonvexe Sammellinse (32), die einen vergleichbaren Brennpunkt wie die Linse in Fig. 1 aufweist, jedoch aufgrund optischer Gesetzmäßigkeit ca. 8% Strahlenverluste hat.

In Fig. 4 sind ebenfalls Nut (6) und Feder (7) vorhanden und gleichfalls aus Gründen der Übersicht als Nut (6a) und Feder (7b) im Ausriß vergrößert dargestellt.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer asymmetrisch bikonvexen Sammellinse (8) mit zwei seitlich angeordneten Reflektoren (9). Die beiden Hauptebenen (10 und 11) liegen in einem größeren Abstand voneinander. Die beiden Reflektoren (9) haben die Aufgabe den austretenden Lichtanteil, der nicht gebündelt ist, zusätzlich zu bündeln.

Wie auch in Fig. 2 und 4 kann die Linse (12) in Fig. 6 mit anderen Linsen an Nut (13) und Feder (14) zusammengesteckt werden. Die Reflektoren (9) haben auch hier die gleiche Aufgabe wie in Fig. 5.

Fig. 7 zeigt eine einstückige, asymmetrisch bikonvexe Sammellinse (15) mit seinen zwei Hauptebenen (16 und 17). Bei dieser Linse können die Außenflächen (18 und 19) mit einer nach innen reflektierenden Beschichtung versehen sein und keine außenliegenden Reflektoren aufweisen.

Aus den Linsen von Fig. 1-Fig. 7 lassen sich nun folgerichtig Gruppen von Linsen zusammenfügen, die axial oder radial wie in Fig. 8 aufgebaut sind und wie eine große Einzellinse wirken. Die Linsen (8) sind hier radial zu einem Halbkugelgebilde zusammengefügt. Dies kann auch mit den Linsen von Fig. 2, Fig. 4 und Fig. 7 durchgeführt werden. Hierbei zeigt der Neigungswinkel von Linsen (8) auf einem einzigen Brenn­ punkt (21). Dieser konzentrierte Brennpunkt ist aber nicht zwingend. Die Linsen können auch so ausgerichtet sein, daß zur jeweiligen Linsenlage ein ringförmiger Brennpunkt liegt und von der nächsten Linsenlage an dem äußeren Umfang des ringförmigen Brennpunktes der nächste anschließt. Auch ist ein ringförmiger Brennpunkt mit jeweils in der Höhe versetzter Lage denkbar. Die von den Linsen (8) gebildete Halbkugelform verfolgt die Sonne autofokussierend auf ihren zweiachsigen Verlauf der Ost-West und der Nord-Süd-Bahn.

Ein andres Beispiel einer Zusammenschaltung der Linsen (8) zeigt Fig. 9. Die Linsen liegen hier in einer Ebene, wobei sie stellvertretend für die anderen Linsen von Fig. 1-Fig. 7 dargestellt sind.

Fig. 10 zeigt eine andere Möglichkeit der Anordnung von Linsen (8), ebenfalls stellvertretend für die Linsen von Fig. 1-Fig. 7. Die Anordnung dieser Linsen ist axial und wirken in ihrer Gesamtheit wie eine Streulinse, wobei der Lichteinfall (22) eine Streuung bei Austritt (23) erfährt.

In Fig. 11 sind Linsen (8) zu einer Kugelkappe ähnlichem Gebilde aufgebaut. Die Linsen (8) sind kaskadenmäßig zueinander versetzt. Ihr Brennpunkt (24) liegt weit außerhalb des Linsenbereiches, um thermische Rückwirkungen auf die Linsen (8) zu verhindern. Auch hier sind die Linsen (8) stellvertretend für die Linsen von Fig. 1-Fig. 7 dargestellt.

Fig. 12 stellt ein einstückiges Prismenrohr dar, wobei die Sammellinse (1) eine rohrähnliche Fortsetzung (25) erfährt. Mit dem Absorber (26) und der Photovoltaik (27) ist dies ein Beispiel eines Hybrid-Kollektors. Die Photovoltaik (27) ist aus Gründen der Überschaubarkeit etwas abgesetzt vom Absorber gezeichnet. In der Realität ist sie jedoch mit einer hochwärmebeständiger und wärmeleitender Verklebung mit dem Absorber (26) verbunden. Der Reflektor (28) hat einmal die Aufgabe Streustrahlung in Richtung Absorber (26) und Photovoltaik (27) zu lenken. Zuzüglich wird die durch den Absorber und der Photovoltaik umgewandelte Strahlenenergie in Wärmestrahlung zurückgeworfen und somit Wärmeemission vermindert.

In Fig. 13 ist eine andere Möglichkeit eines Linseneinsatzes zum Hybrid-Kollektor aufgezeigt. Das Oberteil der bikonkavkonvexen Linse (32) wird einstückig mit dem Rohrteil (25) hergestellt. Das Unterteil der Linse (30) wird getrennt hergestellt und nachträglich in die Halterung (31) eingeschoben. Auch hier stellen (26) den Absorber, (27) die Photovoltaik und (28) den Reflektor dar.

In Fig. 14 wird ein Hybrid-Kollektor dargestellt, dessen Linsen (8) zu einem halbkreisförmigen und mit der Halbschale (25) zu einem Prismenrohr ergänzt worden sind. Absorber (26) ist hierbei breiter dargestellt als die Photovoltaik (27). Die solare Strahlenkonzentration ist auf die Breite der Photovoltaik (27) eingestellt. Zur sicheren Kühlung der Photovoltaik kann aber ein breiterer Absorber mit einem größeren Querschnitt eine größere Menge Wärmeträgerflüssigkeit zur Kühlung der Photovoltaik durchfließen lassen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist auch hier die Photovoltaik (27) vom Absorber (26) abgesetzt gezeichnet. Als Linsen können auch hier die Linsen nach Fig. 1-­ Fig. 7 zum Einsatz kommen. Die gestrichelte Linie (33) zeigt wie weit die Linsen (8) maximal zusammengesteckt werden können.

Fig. 15 zeigt einen ähnlichen Aufbau eines Hybrid-Kollektors wie Fig. 14, jedoch ist dieser aus einem Stück einschließlich der Halbschale (25) hergestellt. Die gestrichelte Linie (33) zeigt auch hier wie weit die Linsen (8) maximal zusammengesetzt werden können. Die Reflektoren (9) dienen hier der größeren solaren Konzentrationsstrahlung auf die Photovoltaik (27).

Fig. 16 zeigt einen Hybrid-Kollektor mit einer Linse (32) nach Fig. 4 zusammengesteckt mit zwei Linsen (8) nach Fig. 6. Es können auch Kombinationen der Linsen nach Fig. 2, Fig. 4, Fig. 6 und Fig. 7 untereinander kombiniert werden. Sinn dieser Kombination ist eine maximal angepaßte autofokussierende Sonnennachfolge entsprechend Einsatzzweck und -ort. Der Absorber (26), die Photovoltaik (27) und der Reflektor (28) sind Bestandteile des Hybrid- Kollektors. Das Gehäuse (34) kann aus einem anderen Material, z. B. Stahlblech, als die Linsen gefertigt sein.

Fig. 17 zeigt eine Lösung des Einsatzes integriert in Dachpfannenform (35) bei gleichen Abmessungen vergleichbarer konventioneller Dachpfannen, um sie gegen Austausch der konventionellen Dachpfannen als preiswerte Variante eines Kollektors einzusetzen. Die Linsen (8) können auch die Form nach Fig. 1-Fig. 6 haben. Die Dachpfanne (35) besteht aus einem optisch durchsichtigen Material, jedoch wird nur der Linsenteil der Dachpfanne optisch durchsichtig bleiben. Der restliche Teil kann auf Wunsch mit für Dachpfannen herkömmlichen Farben eingefärbt werden. Zwischen Absorber (26) und der Dachlatte (37) ist eine thermische Isolierung (36) angebracht. Zur Halterung der Dachpfanne mit der Dachlatte (37) werden in die Vorrichtung (38) Halteelemente eingeschoben, die mit der Dachlatte (37) verbunden sind. Die Dachpfanne kann links und rechts, wie auch in ihrer axialen Verlängerung, mit weiteren passenden Dachpfannen nach Fig. 17 flächenmäßig erweitert werden oder den Abschluß mit herkömmlichen Dachpfannen integriert werden.

Fig. 18, Fig. 19. Fig. 20 und Fig. 21 beschreiben einen Rohrkollektor mit einem mittels thermischer Stellelemente nachgeführten Linsensystem, wobei die Fig. 19-Fig. 21 die Querschnittszeichnungen von Fig. 18 darstellen.

Der Sonnenkollektor besitzt ein äußeres nicht strukturiertes und möglichst lichtdurchlässiges Schutzrohr (39), in welchem ein geeignet beschichtetes und ausreichend gekühltes Innenrohr als Energieabsorber (26) durch entsprechende Bohrungen in den Abschlußplatten (41) entlang der Kollektorachse fixiert wird. Mit auf dem Energieabsorber (26) aufgesteckten Lagern (42) wird über die beiden Linsenabschlußplatten (43) eine röhrenförmige und bezüglich der Kollektorachse ausgewuchtete Linse (44) (z. B. Fresnellinse) um das Absorber (26) leicht drehbar gelagert. Für jeden beliebigen Sonnenstand soll dabei die Linse (44) des in Nord-Süd- Richtung aufgestellten Kollektors so gedreht werden können, daß die Fokuslinie direkt auf dem Absorberrohr (26) zu liegen kommt und damit eine hohe Energiekonzentrierung auf diesem Element auftrifft.

Damit sich diese Linsendrehung je nach Sonnenstand automatisch einstellt, werden zwei gleiche thermische Stellelementen-Schnecken (45 und 46) von geeigneter Bauart um 180° gedreht auf das Absorberrohr (26) aufgesteckt und z. B. durch zwei einfache, ebenfalls auf den Absorber (26) aufgesteckte Metallscheiben (47) thermisch voneinander isoliert. Die Außenzungen der beiden gegenlaufenden thermischen Stellelementen-Schnecken enden dabei, wie im Querschnitt Fig. 20 und Fig. 21 zu sehen, jeweils in einer Nut der rohrförmigen Fresnellinse (44), wodurch jede der beiden thermischen Stellelementen-Schnecken (45 und 46) die Linse (44) bei einer auftretenden Temperaturänderung zu drehen sucht. In Folge der gegenläufigen Drehrichtung beider Schnecken (45 und 46) gleichen sich auf die Rohrlinse (44) wirkenden Drehmomente bei gleichen Temperaturänderungen an beiden Schnecken jedoch aus, sodaß nur bei unterschiedlicher Erwärmung beider thermischen Stellelementen-Schnecken (45 und 46) ein resultierendes Drehmoment entsteht und die Linse (44) in Bewegung gesetzt wird. Um diesen Effekt für eine Autofokussierung nutzen zu können, werden die über die thermischen Stellelementen-Schnecken (45 und 46) liegenden Bereiche der Linse mit zwei spiegelnden 270° Ringen (48) bestückt, die um ca. 90° gegeneinander verdreht sind (vergleiche Querschnitt Fig. 20 und Fig. 21), und die jeweils genau die Hälfte der Sonnenstrahlung aus der Richtung 51 abschauen, die von der Rohr­ linse (44) optimal auf das Absorberrohr (26) fokussiert wird. Nur für den Sonneneinfall aus Richtung 51 werden durch die symmetrischen Strahlungsverhältnisse beide thermischen Stellelementen-Schnecken (Fig. 20 und Fig. 21) gleich erwärmt, so daß die Linse (44) nicht gedreht wird. Fällt das Licht dagegen z. B. aus der Richtung 52 auf den Kollektor, so erreicht das Licht nur die Schnecke (45), wogegen die Schnecke (46) durch den Spiegelring (48) abgeschattet wird. Es ergibt sich deshalb sehr rasch eine Temperaturdifferenz zwischen beiden thermischen Stellelementen-Schnecken, die zur einer Drehung der Linse (44) führt. Durch die Verwendung eines geeigneten thermischen Stellelementes mit einer ausreichenden Windungszahl und einer guten thermischen Isolation der beiden Schneckenkammern gegeneinander, hört diese Bewegung erst dann wieder auf, wenn der Lichteinfall in beide Kammern Fig. 20 oder Fig. 21 praktisch gleich ist. Dies ist aber nur der Fall, wenn die Linse (44) "optimal" in das Licht gedreht und damit eine Autofokussierung erreicht ist.

Fig. 22 zeigt einen Solarkollektor zur thermischen Energiegewinnung. Über die Linse (1) wird die Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit ihrer einachsigen Sonnenbewegung im Brennpunkt konzentriert. Ziel des Reflektors (50) ist es die maximale von der Linse angebotenen Solarstrahlung einzufangen und auf den Absorber (26) zu lenken. Dies ist nur mit einem beweglichen Reflektor (50) möglich, da der Brennpunkt analog zur Sonnenbewegung mitwandert. Eine gleichmäßige Erwärmung der thermischen Stell­ elemente (49) wird nur erreicht, wenn die Sonne senkrecht auf den Mittelpunkt der Linse (1) strahlt und somit Cosinus-Theta gleich Null ist. Zu diesem Zeitpunkt erhalten die thermischen Stellelemente (49) die gleiche Erwärmung und somit die gleiche Formgebung. Sie halten somit den Reflektor (50) senkrecht wie in Fig. 22 dargestellt.

In Fig. 23 ist das rechte thermische Stellelement (49a) stärker erwärmt und dehnt sich somit nach rechts aus. Das linke thermische Stellelement (49b) erhält jetzt weniger Solarstrahlung, kühlt sich ab und zieht sich zusammen. So drückt (49b) nach rechts und (49a) gibt nach. Der Reflektor (50) wird nach rechts vom (49b) soweit gedrückt, wie (49a) nachgibt. Ist eine gewisse Kippbewegung vom Reflektor (50) durchgeführt folgt er durch sein Eigengewicht der Ausdehnung des (49a). Der gleiche Vorgang spielt sich nun ab, wenn (49a) abkühlt. Er drückt den Reflektor zurück und der Reflektor folgt nun der Bewegung von (49b).

Wird der Kollektor zu einem Hybrid-Kollektor erweitert, wird ein viereckiges Absorber­ rohr (26) statt eines Rundrohres verwendet, weil die Photovoltaik (27) nur auf gerader Fläche zu positionieren ist und nur in diesem Falle eine gute Wärmeableitung möglich ist. Der restliche Vorgang ist wie in Fig. 22 und 23 beschrieben.

Zur Vermeidung von Überhitzung der Photovoltaik (27) und eventuell des Absorbers (26) bei starker Sonneneinstrahlung und nicht genügender Wärmeabfuhr durch die den Absorber (26) durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit ist ein thermisches Stellelement (53) vorgesehen, welches den Reflektor (54) zur Verschattung steuert. In Ruhestellung bei unter kritischer Temperatur liegt der Reflektor (54) unter dem Absorber (26). Bei Erreichung einer kritischen Grenztemperatur wird der Reflektor (54) mittels des thermischen Stellelementes (53) in die gestrichelt gezeichnete Position (55) gedreht und Photovoltaik (27) und Absorber (26) werden verschaltet.

Fig. 26 zeigt eine Prinzipzeichnung eines möglichen Einsatzes der Prismen Fig. 1-Fig. 7 zur Lichtlenkung für ein 4-Etagenhaus über einen Lichthof. Angenommen wird eine optisch durchsichtige Kuppel (56) bestickt mit Linsen nach Fig. 1 bis Fig. 7 in Kombination verschiedener Linsen oder nur aus einem Linsensystem bestehend. Die Lichtstrahlen (57) fallen auf zwei Spiegel (58 und 59) und werden entsprechend des Gesetztes der Lichtbrechung umgelenkt. Eine Streulinse (60) streut das umgelenkte Licht vom Spiegel (59) in einen klein gewählten Winkel, während die Streulinse (61) einen großen Streuwinkel aufweist.

Claims (25)

1. Vorrichtung zur Gewinnung von thermischer und/oder elektrischer Energie aus Sonnenlicht wie auch zur Lichtlenkung von Sonnen- oder Kunstlicht mit mindest einer autofokussierender mechanisch nicht bewegter oder mittels zwei gegengekoppelter thermischen Elementen (45, 46 und 49) mechanisch bewegter Linse (nach Fig. 1-Fig. 7) oder Reflektor (50) die das Licht entweder auf einen Absorber (26) und/oder photovoltaischer Zelle (27) oder in Räumlichkeiten (Fig. 26) zur weiteren Bündelung oder Streuung des Lichtes lenken, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiekonzentrator zu mindest in einem entsprechend des täglichen Sonnenlaufes mit Sonnenlicht bestrahlten Umfangsbereich ein aus optisch durchsichtigem Material bestehenden Prisma oder Prismenanordnung mit einer axial, parallel oder radial um einen Kreismittelpunkt verlaufenden und umfänglich verteilten nebeneinander oder versetzt übereinander angeordneten Prismen aufweist, die das Sonnenlicht auf einen Absorber (26) und/oder Photovoltaik (27) konzentrieren, bei Ausleuchtung von Räumen mit Sonnen- oder Kunstlicht je nach Anforderung konzentrieren oder streuen (Fig. 26).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (Fig. 1 bis Fig. 7) derart ausgelegt sein können, daß sie seitlich mittels bajonettähnlichen Steckvorrichtungen (4a, 5b, 6a, 7b, 13 und 14) zusammen gesteckt werden können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (Fig. 1 bis Fig. 7) auch ohne Steckvorrichtungen hergestellt werden können.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (Fig. 1 bis Fig. 7) in Verbund ohne Steckvorrichtung hergestellt werden können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (Fig. 1 bis Fig. 7) zu einer halbkugelähnlichen Form (Fig. 8) zusammengestellt werden können.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (Fig. 1 bis Fig. 7) zu einer geraden Ebene (Fig. 9) einstückig oder einzeln zusammengesteckt werden können.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (Fig. 1 bis Fig. 7) auch zu einer Streulinse (Fig. 10) zusammengestellt werden können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (Fig. 1 bis Fig. 7) kaskadenmäßig zu einer kugelkappenähnlichen Form (Fig. 11) zusammengestellt werden kann und so ausgerichtet werden, daß der gemeinsame Brennpunkt (24) außerhalb des Linsensystems liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (Fig. 8 und Fig. 11) so ausgerichtet werden, daß jede Linsenlage ihren eigenen Brennpunkt (24) ringförmig nebeneinander oder versetzt übereinander haben.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (1) in Fig. 12 mit der Schale (25) einen gemeinsamen rohrähnlichen Körper bilden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrähnliche Körper auch mit Sammellinsen nach Fig. 2 bis Fig. 7 gebildet werden kann.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrähnliche Körper das Oberteil einer bikonkavkonvexen Linse (32) aufweist. Zwei seitliche Halterungen (31) für den Einschub des Unterteils (30) zur Vervollständigung der bikonkavkonvexen Linse.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (8) mit ihren bajonettähnlichen Steckverbindungen in Fig. 14 miteinander verbunden zu einem Halbkreis und hier stellvertretend für die restlichen Sammellinsen von Fig. 1-Fig. 7 dargestellt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (8) von Fig. 15 auch einstückig mit der Unterschale (25) hergestellt werden können und mit Reflektoren (9) ausgerüstet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unterschiedliche Linsen (32 und 8) miteinander nach Fig. 16 mittels bajonettähnlichen Steckverbindungen zusammengesteckt werden können und stellvertretend für andere Kombinationen von Fig. 1 bis Fig. 7 nach Erfordernissen möglich sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Dachpfannen (25) aus optisch durchsichtigen Material mit herkömmlichen Abmessungen hergestellt werden und Linsen (8) oder nach Fig. 1 bis Fig. 7 aufweisen können. Der restliche Teil der Dachpfanne wird mit herkömmlichen Farbtönen eingefärbt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres, nicht strukturiertes, aus optisch durchsichtigen Material bestehendes Rohr (39) in seinem Inneren ein ausgewuchtes Linsensystem (44) aufnimmt, welches über zwei gegengekoppelte thermische Stellelemente (45 und 46) der Sonne nachgeführt wird und die Sonnenstrahlen auf den Absorber (26) richten.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gegengekoppelten thermischen Stellelemente (48) aus einem temperaturabhängigen festen Stoff bestehen können.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die gegengekoppelten thermischen Stellelemente (48) mit ihrem temperaturabhängigen Anteil aus einem fluiden Stoff bestehen können.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die gegengekoppelten thermischen Stellelemente (48) mit ihrem temperaturabhängigen Anteil aus einem gasförmigen Stoff bestehen können.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegengekoppelte thermische Elemente (49) durch Erwärmung der konzentrierten Sonneneinstrahlung analog zu der Erwärmung sich ausdehnen oder zusammenziehen und so den Reflektor (50) der Sonneneinstrahlung maximal nachführen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prismensystem auch zum Hybrid-Kollektor mit Absorber (26) und Photovoltaik (27) ausgerüstet werden kann wenn es mittels gegengekoppelter thermischer Stellelemente (49) ausgerüstet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermisches Stellelement (53) verbunden mit einem Reflektor (54) bei Erreichen einen für den Photovoltaik (27) und evt. für den Absorber (26) kritischen Temperatur das thermischen Stellelement (53) den Reflektor (54) aus seiner Ruhelage in die Verschattungsposition (55) bringt und somit eine Überhitzung und damit Zerstörung von 27 und 26 verhindert.

24. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Linsen nach Fig. 1 bis Fig. 7 bestückte Kuppel (56) zur Lichtumlenkung im Verbund mit Reflektoren (58 und 59) und Streulinsen (60 und 61) zur Ausleuchtung von Gebäuden oder Räumlichkeiten eingesetzt werden kann.

25. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die der Sonnenseite zugewandten Außenflächen der Linsen mit kratzfester und/oder schmutzabweisender Beschichtung ohne Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften der Linsen versehen werden kann.