DE2525630A1 - Converter for solar energy into electric current - uses optical fibres, photoconductive tubes or rods with random photosensitive surfaces - Google Patents
Converter for solar energy into electric current - uses optical fibres, photoconductive tubes or rods with random photosensitive surfacesInfo
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Abstract
Description
Einrichtung zur Umsetzung von Strahlungsenergie, insbesondere Sonnenstrahlung in elektrischen Strom.Device for converting radiant energy, in particular solar radiation in electric current.
Die bislang bekannten Einrichtungen zur Umsetzung von Strahlungsenergie, insbesondere von künstlichem oder Sonnenlicht in elektrischen Strom,verwenden entweder Halbleiter-Photoelemente oder Hohlspiegel-Einrichtungen, in deren Brennpunkt ein Flüssigkeits-Wärmeaustauscher angeordnet wird, wobei die aufgeheizte Flüssigkeit entweder zum Antrieb von Rotoren oder magnetohydrodynamischen Aggregaten verwendet wird.The previously known devices for the implementation of radiant energy, especially from artificial or sunlight in electric current, use either Semiconductor photo elements or concave mirror devices in their focal point Liquid heat exchanger is arranged, with the heated liquid used either to drive rotors or magnetohydrodynamic units will.
Die Sonnenenergie strahlt in den gemäßigten Erdklimazonen, in denen sich auch Westdeutschland befindet, im Durchschnitt nur mit etwa 5000 bis 8000 Lux über einige Tagesstunden ein.The solar energy radiates in the temperate earth climates in which West Germany is also located, with an average of only about 5000 to 8000 lux over a few hours of the day.
Selbst bei wolkenfreisem Himmel und voll strahlender Sonne werden nur Strahlungswerte bis umgerechnet max. 1 kw/m2 in den äquatoralen Zonen erreicht.Even when the sky is clear and the sun is shining only radiation values up to the equivalent of max. 1 kw / m2 in the equatorial zones are achieved.
Die verschiedenen Sonneneinstrahlungswinkel mindern diesen Wert beträchtlich, so daß man im Äquatorgebiet rechnerisch in Mittel ca. 0,5 kw/m2 erreichen könnte. Ein Wert, der jedoch durch den Wirkungsgrad der verwendeten Umwandlungseinrichtungen weiter verschlechtert wird. Bei einem Wirkungsgrad dieser von 75 Prozent würde man für ein MW-Leistung eine Spiegelfläche von 2666 m2 benötigen.The different angles of sunshine reduce this value considerably, so that one could theoretically achieve an average of approx. 0.5 kw / m2 in the equatorial region. A value, however, due to the efficiency of the conversion equipment used is further deteriorated. With an efficiency of 75 percent you would need a mirror surface of 2666 m2 for a MW output.
Ein Spiegel dieser Größe läßt sich praktisch kaum herstellen, weshalb man die Fläche in eine Vielzahl von kleineren Spiegeln aufteilen müßte, die alle den Höhen-und Seitenwinkel der Sonnenstrahlungsrichtung nachgeführt werden müßten.A mirror of this size is practically impossible to manufacture, which is why one would have to divide the surface into a multitude of smaller mirrors, all of them the elevation and lateral angle of the direction of solar radiation would have to be tracked.
Selbst wenn es gelingen würde, die Spiegel dicht-bei-dicht anzuordnen, benötigt man für ein mittleres Kraftwerk riesige Flächen. Bei einem pro-Kopf-Bedarf von 500 Watt/Person, benötigt eine Stadt von etwa 100.000 Einwohner auf die äquatoriale Zone gerechnet rd. 100.000 m2 Spiegelfläche bzw. 0,31 Quadratkilometer.Even if it were possible to arrange the mirrors close-by-close, you need huge areas for a medium-sized power plant. With a per capita requirement of 500 watts / person, a city of about 100,000 inhabitants needs on the equatorial Calculated in the zone, around 100,000 m2 of mirror surface or 0.31 square kilometers.
In den gemäßigten Zonen Europas steigert sich dieser Flächenbedarf auf Grund der wesentlich geringeren Sonneneinstrahlung etwa um das fünffache, sodaß für die gleiche Energieerzeugung bereits ca. 1,5 km2 benötigt werden würden.This space requirement is increasing in the temperate zones of Europe Due to the much lower solar radiation around five times, so that 1.5 km2 would be required for the same energy generation.
Verwendet man Flächen-Photoelemente, die z. Zt. noch mit Wirkungsgraden um ca. 15% arbeiten, so wäre der Flächenbedarf gegenüber der Spiegelmethode abermals um den fünffachen Wert (bisher angenommen 75% Wirkungsgrad) zu steigern, sodaß für die Versorgung einer Stadt in unserem Gebiet mit Einhunderttausend Einwohner 7,5 km2 Fläche bereit gestellt werden müßten, was etwa ihrer räumlichen Ausdehnung entspräche.Derartige zusammenhängende Flächen stehen für Spiegel- oder Photoelement im dichtbesiedelten Deutschland kaum zur Verfügung.If you use area photo elements that z. Currently still with degrees of effectiveness work by approx. 15%, the space requirement would be again compared to the mirror method by five times the value (previously assumed 75% efficiency), so that for the supply of a city in our area with one hundred thousand inhabitants 7.5 km2 area would have to be made available, which would roughly correspond to its spatial extent contiguous areas represent mirror or photo elements in densely populated areas Germany hardly available.
Außerdem bezieht sich unser Rechenexempel auf 8 Tages stunden verwendbarer Einstrahlung. Um auch für die übrigen Tages-und Nachtzeiten Energie zur Verfügung zu haben, müßte man die Flächen für einen Pumpspeicherbetrieb nochmals um ein vielfaches steigern. Aus diesen Gedankengängen und überschlägigen Rechenexempeln erkennt man recht schnell, daß eine Verwendung von Spiegelflächen oder Photoelementflächen in der bisher bekannten Form wenig erfolgversprechend ist.In addition, our calculation example refers to 8 hours of use during the day Irradiation. So that energy is also available for the rest of the day and night to have, one would have to multiply the area for a pumped storage operation increase. One recognizes from these trains of thought and rough arithmetic examples very quickly that a use of mirror surfaces or photo element surfaces in the previously known form is not very promising.
Die riesigen Konstruktionen die mit derartigen Auffangflächen verbunden sind, lassen eine solche Methode unrealistisch erscheinen.The huge constructions connected with such collecting areas make such a method seem unrealistic.
Es ist deshalb nötig, nach Methoden zu suchen die es möglich machen Sonnenenergie auf relativ kleiner Grundfläche zu empfangen und zu sammeln, eventuell sogar zu verstärken.It is therefore necessary to look for methods that make it possible To receive and collect solar energy on a relatively small area, possibly even amplify.
Die nochfolgend beschriebene Erfindung verfolgt einen solchen Weg.The invention described below follows such an approach.
Das Licht der Sonnenenergie wird in die Stirnfläche einer Lichtleiterfaser geleitet. In der Lichtleitfaser, bzw. Lichtleitstab, die/der von einem anders brechenden Mantel umgeben ist, wird das Licht an der Mantelwandung hin und her reflektiert und in der Lichtfaser oder Stab bis zu ihrem/seinem Ende geleitet.(Figur 2) Dieses Prinzip eines Lichtleiterkabels ist hinreichend bekannt.The light from the sun's energy is fed into the face of an optical fiber directed. In the optical fiber, or light guide rod, the / that of a different refractive Jacket is surrounded, the light is reflected back and forth on the jacket wall and guided in the optical fiber or rod to its / its end. (Figure 2) This The principle of a fiber optic cable is well known.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die Fasern eines Lichtleiterkabels (/) der Länge nach in zwei Hälften (/1a) (/;) mit einem halbkreisförmigen Querschnitt unterteilt. (Figur 1) Zwischen den beiden Halbkreisflächen #s/l# werden ein photoempfindlicher Halbleiter (-schicht) ( <) mit einer oberen («z) und unteren Leitungsschicht (#,6) mit elektrischen Anschlußverbindungen angeordnet.In the present invention, the fibers of an optical fiber cable (/) lengthways in two halves (/ 1a) (/;) with a semicircular cross-section divided. (Figure 1) Between the two semicircular areas # s / l # are a photosensitive Semiconductor (layer) (<) with an upper («z) and lower conduction layer (#, 6) arranged with electrical connections.
Alle 3 Schichten sind als dünne Transparente Schichten, durch die Licht hindurchtreten kann, ausgebildet.All 3 layers are as thin transparent layers through which Light can pass through.
Das in der Faser an den Mantelwandungen reflektierte und weitergeleitete Licht (46) wird jedesmal, wenn es zu einer gegenüberliegenden Wandseite reflektiert wird, durch die 3 dünnen Schichten hindurchtreten.That reflected in the fiber on the cladding walls and passed on Light (46) is reflected every time it is reflected to an opposite wall side will pass through the 3 thin layers.
Jeder Durchtritt des Lichtes durch die Photo-Halbleiterschicht ( ), die als Photoelement ausgebildet ist, wird in dieser einen Photostrom auslösen, der über die beiden Deckschichten als Leitungsschichten (<8)abgeführt werden kann.Every passage of light through the photo-semiconductor layer (), which is designed as a photo element, will trigger a photocurrent in this, which are discharged via the two cover layers as conduction layers (<8) can.
Wird der Photostrom an den Faserenden abgenommen, so wird der in der gesamten Länge der Faser entstandene Photostrom eine Stromrichtung, nämlich zu den Abnahmestellen annehmen.If the photocurrent is removed from the fiber ends, the in the over the entire length of the fiber generated photocurrent a current direction, namely to the Accept acceptance points.
Es bilden sich dadurch in der Faser zwei Ströme aus. Angenommen die obere Leitungsschicht liege am Pluspol der Photoelementschicht an und die untere an deren Minuspol, so wird ein Strom von der Minusschicht, jenachdem ob ein PN oder NP-Halbleiter verwendet wird, zur Plusschicht, oder umgekehrt, fließen.This creates two currents in the fiber. Suppose the The upper conduction layer lies against the positive pole of the photo element layer and the lower one at their negative pole, a current is generated from the negative layer, depending on whether a PN or NP semiconductor is used to flow to the plus layer, or vice versa.
Weiterhin angenommen, die obere Leitungsschicht sei am Anfang der Faser mit einem Anschluß (E8) an einen äußeren Verbraucher angeschlossen, die untere Leitungsschicht am anderen Ende der Faser (2j) mit einem gegenpolaren Anschluß versehen, der zum Verbraucher führt, so wird zwischen den beiden Anschlüssen an den beiden Enden der Faser ein gerichteter Strom fließen.Furthermore, assume that the upper conduction layer is at the beginning of the Fiber with a connector (E8) connected to an external consumer, the lower one Provide the conduction layer at the other end of the fiber (2j) with an oppositely polar connection, which leads to the consumer, between the two connections on the two Ends of the fiber a directional current will flow.
Dieser Strom wird auf der ganzen Länge der Faser durch und in der Elementschicht entstehen.This current is carried along the entire length of the fiber through and in the Element layer arise.
Die photoleitende Schicht (5) in der Fasermitte kann man auch gleichzeitig als einen bandförmigen stromführenden Leiter mit einem Quer- und Längststrom ansehen.The photoconductive layer (5) in the middle of the fiber can also be used at the same time view it as a ribbon-shaped current-carrying conductor with a transverse and longitudinal current.
Auf diese Weise ist aus der Leitfaser auch gleichzeitig ein stromführender Leiter geworden. Wird die Lichtleiter- und auf diese Weise stromführende Faser (4), wie in Figur 4 gezeigt, auf einer Transformatorspule ( t) aufgewickelt, so sind damit entsprechende vorkehrende Maßnahmen für eine Transformation des Photo-(Licht)-Stromes getroffen.In this way, the conductive fiber is also a current-carrying one at the same time Became a leader. If the light guide and in this way current-carrying fiber (4), as shown in Figure 4, wound on a transformer coil (t), so are thus corresponding preventive measures for a transformation of the photo (light) stream met.
Die gegenwärtig verfügbaren Halbleitermaterialien sind elektrisch noch zu träge um den Lichtfrequenzen direkt zu folgen.The currently available semiconductor materials are electrical still too sluggish to follow the light frequencies directly.
In Zukunft wird auch die sicherlich einmal möglich sein. Um jedoch bei den gegenwärtig verfügbaren Halbleitermaterialien zu Induktionsströmen in einer Spulenwicklung (t0) zu kommen, muß eine Pulsung des Stromes eingeleitet werden. Es genügt, wenn nach einer n-fachen Lichtschwingung eine Unterbrechung, d. h. eine Pulsung durchgeführt wird.In the future, this will certainly be possible one day. To however with the currently available semiconductor materials to induction currents in one To come to the coil winding (t0), a pulsing of the current must be initiated. It is sufficient if, after an n-fold light oscillation, an interruption, i. H. one Pulsing is carried out.
Diese kann durch eine rotierende Blende im Lichtstrom ( wie in Figur 4 dargestellt, und/oder durch einen elektronischen Schalter, in der Figur 4 mit S bezeichnet in der elektrischen Bahn, herbeigeführt werden.This can be achieved by a rotating aperture in the luminous flux (as in Fig 4 shown, and / or by an electronic switch, in Figure 4 with S denotes in the electric train, to be brought about.
Das notwendige Licht oder die Strahlung wird in die konisch erweiterten Lichtfaserenden (40) eingestrahlt. Damit eine Schwingung in den Lichtfrequenzen auch unmittelbar eingeleitet werden kann, sind die Lichtfaserenden um Lambdahalbe = halbe Lichtwellenlänge, versetzt angeordnet.The necessary light or radiation is widened in the conical Light fiber ends (40) irradiated. With it an oscillation in the light frequencies can also be initiated directly, the fiber ends are around half-wave = half the light wavelength, arranged offset.
Sofern zunächst langsam reagierendes Halbleitermaterial in den Fasern verwendet wird, kann durch ein-oder-zwei elektronische Schalter oder ein-oder-zwei rotierende Blenden der Schwingungsvorgang, der eine Transformationswirkung auslösen soll, so zeitlich versetzt gesteuert werden, daß die erste Blende bei n-fachen Lichtperiode öffnet und bei einer der Wellenlänge angepaßten Vielfachen wieder schließt, wodurch ein frequentes Schwingen durch stoßartig auftretende (Photo-) Stromimpulse oder elektrischen Stoßströme ausgelöst wird.If initially slowly reacting semiconductor material in the fibers Can be used by one-or-two electronic switches or one-or-two rotating diaphragms the oscillation process that trigger a transformation effect is to be controlled with a time offset so that the first aperture at n times the light period opens and closes again at a multiple adapted to the wavelength, whereby frequent swinging caused by sudden (photo) current impulses or electrical surge currents is triggered.
Es ist denkbar, daß anstelle eines Halbleitermaterials als dünne Schichten ein Flüssigkeitshalbleiter verwendet wird.It is conceivable that instead of a semiconductor material as thin layers a liquid semiconductor is used.
In diesem Falle wird eine rohrartig ausgebildete Hohllichtleitfaser mit dem flüssigen Photo-Halbleitermaterial gefüllt.In this case, a tube-like hollow optical fiber is used filled with the liquid photo-semiconductor material.
Ergänzend muß ausgeführt werden, daß natürlich nicht nur, wie hier zur Erläuterung beschrieben, eine Einzelfaser zur Transformation von Licht in elektrischen Strom, sondern ganze figur3 Faserbündel die entsprechend parallel und/oder in Serie geschaltet sind, verwendet werden, Weiterhin ist es möglich, die Fasern in ihrer Länge so abzustimmen und an den Faserenden mit reflektierenden Spiegelflächen zu versehen, sodaß innerhalb der Fasern eine Laserwirkung eintritt, die eine Lichtstimmulation, d. h. eine Lichtverstärkung herbeiführt.In addition, it must be said that not only, of course, as here described for explanation, a single fiber for transforming light into electrical Electricity, but whole figur3 fiber bundles which are correspondingly parallel and / or in series are switched, can also be used, the fibers in their Length to be coordinated and at the fiber ends with reflective mirror surfaces provided, so that a laser effect occurs within the fibers, which stimulates light, d. H. brings about a light amplification.
Hierdurch werden sich die Photoströme mit den Fasern wesentlich steigern lassen.This will significantly increase the photocurrents with the fibers permit.
Dies dürfte sogar ein sehr wesentlicher und wichtiger Faktor sein, denn die Einbringung einer Photoelementschicht in die Längs-Achse der Faser verkleinert an-und-für-sich nicht die notwendige bestrahlte Fläche, wie sie eingangs rechnerisch überschlägig für die Photoelementversion mit flächenplaner Ausdehnung ermittelt wurde.This should even be a very essential and important factor because the introduction of a photo element layer in the longitudinal axis of the fiber is reduced in-and-for-itself not the necessary irradiated area, as calculated at the beginning Roughly determined for the photo element version with planar expansion became.
Bei Lasern wird eine Lichtverstärkung um einige Potenzen erreicht. Diese Erkenntnis auf die vorliegende Faserbauform umgelegt, bedeutet, daß man auch mit einer um Potenzen kleineren mit Licht bestrahlter Fläche auskommt als wie bei planen herkömmlichen Photoelementen. Da weiterhin die Möglichkeit, ja sogar zwingende Voraussetzung gegeben ist, die Fasern wie bei einem Transformator auf Spulen @+z) zu aufwickeln, kann die Lichtauffangeinrichtung auf sehr kleinem Raum aufgewickelt, d. h.With lasers, a light amplification of several powers is achieved. This knowledge applied to the present fiber structure means that one too manages with an area irradiated with light that is several powers smaller than with plan conventional photo elements. Since there is still the possibility, even mandatory The prerequisite is that the fibers are on spools like in a transformer @ + z) to wind up, the light interception device can be wound up in a very small space, d. H.
konzentriert werden.be concentrated.
Natürlich wird man bestrebt sein, in die Faserenden mit so hoher Lichtkonzentration wie nur möglich einzustrahlen. Als primäre Lichtauffangvorrichtung wird man deshalb eine Hohlspiegelanordnung verwenden und die Faserenden im Brennpunkt des Spiegels anordnen.Of course one will strive to get into the fiber ends with such a high concentration of light to radiate as much as possible. The primary light intercepting device is therefore use a concave mirror assembly and the fiber ends at the focal point of the mirror arrange.
Es ist aber überschaubar, daß dieser Spiegel aufgrund der gewählten Faserkonstruktion und Lasereinwirkung in den Fasern, diese notwendigen Spiegelkonstruktionen mit nachgeschaltetem Licht (Photo) Strom-Tranformator die raummäßige Ausdehnung eines herkömmlichen Kraftwerkes eher unterschreiten wird.But it is clear that this mirror is due to the chosen Fiber construction and laser action in the fibers, these necessary mirror constructions with downstream light (photo) current transformer the spatial expansion of a conventional power plant.
Außerdem ist diese Art von Sonnenkraftwerk außerordentlich umweltfreundlich, denn es werden weder Gase, Schadstoffe usw.In addition, this type of solar power plant is extremely environmentally friendly, because there are neither gases, pollutants, etc.
in die Umgebeung abgeführt und Kühlwasser beeinflußt, noch treten radioaktive Gefahren auf.Discharged into the environment and affects cooling water, still step radioactive hazards.
Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die transparente Halbleiterfläche (#) in der Faser in vielfältiger Form ausgeführt und angeordnet werden kann, so z. B. in schraubenartiger Wendelform, in sägezahnartiger oder Zickzackform, oder in abschnittsweiser Kettenform, oder in Mehrschichtausführungen.It should also be pointed out that the transparent semiconductor surface (#) can be executed and arranged in the fiber in a variety of forms, so z. B. in helical helical shape, in sawtooth-like or zigzag shape, or in sections in chain form, or in multi-layer designs.
Ebenso sind Flüssigkeitshalbleiter in transparenter Form, sowie solche mit Photolumineszenz oder Phosphoreszenz einsetz-bar, weiterhin sind auch Faseranordnungen ausführbar, die mit einem ionisierbarem Gas gefüllt sind. in einem solchen Falle würde das Sonnenlicht zur Ionisierung, d. h. zur Lichterzeugung im Gas, etwa im ähnlichen Prinzip wie bei den bekannten Leuchtstoff-oder Neon-Beleuchtungen üblich, benutzt. Da auch Gaslaser ausgeführt werden können, dürften mit gasgefüllten Fasern ebensfalls mit laserartigen Lichtverstärkern ausführbar werden.Liquid semiconductors are also in transparent form, as well as such can be used with photoluminescence or phosphorescence, fiber arrangements are also possible executable, which are filled with an ionizable gas. in such a case would sunlight for ionization, i. H. to generate light in gas, for example in similar principle as usual with the known fluorescent or neon lights, used. Since gas lasers can also be used, fibers filled with gas are likely to be used can also be carried out with laser-like light amplifiers.
Um bei solchen Anordnungen einen elektrischen Strom abnehmen zu können, bedarf es wieder einer entsprechenden Photoelementschicht oder -Fläche, die im Innern der Fasern in den vorbeschriebenen Formen angeordnet oder aber in Form eines Fasermantels ausgebildet sein kann.In order to be able to draw an electric current in such arrangements, again a corresponding photo element layer or surface is required, which is inside the fibers arranged in the shapes described above or in the form of a fiber sheath can be formed.
Je nach der Länge der verwendeten Lichtleiterfasern; -stäben; -rohren oder -bänder kann es von Vorteil sein, supraleitendes Material für die Photoleitung oder Stromleitung einzusetzen, sodaß hohe Belastungen der Auf fangeinrichtungen, die insbesondere bei einer Laser-Stimmulation auftreten können, vermieden werden können und außerdem die Fasern anstelle einer sonst eventuell notwendigen Flüssigkeitskühlung kühlen könnte.Depending on the length of the optical fibers used; -sticks; pipes or tapes, it can be advantageous to use superconducting material for photoconductivity or power line, so that high loads on the fall arrest devices, which can occur in particular with laser stimulation, can be avoided can and also the fibers instead of an otherwise possibly necessary liquid cooling could cool.
Claims (15)
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| DE19752525630 DE2525630A1 (en) | 1975-06-09 | 1975-06-09 | Converter for solar energy into electric current - uses optical fibres, photoconductive tubes or rods with random photosensitive surfaces |
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| DE19752525630 DE2525630A1 (en) | 1975-06-09 | 1975-06-09 | Converter for solar energy into electric current - uses optical fibres, photoconductive tubes or rods with random photosensitive surfaces |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE2525630A1 true DE2525630A1 (en) | 1976-12-30 |
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Legal Events
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| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
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| Q176 | The application caused the suspense of an application |
Ref document number: 2831176 Country of ref document: DE |
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| 8180 | Miscellaneous part 1 |
Free format text: IN HEFT 49/89, SEITE 12270, SP. 1: DIE VEROEFFENTLICHUNG IST ZU STREICHEN |
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