DE3634213A1

DE3634213A1 - Concentrating collector for diffuse sunlight

Info

Publication number: DE3634213A1
Application number: DE19863634213
Authority: DE
Inventors: Friedrich Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-10-08
Filing date: 1986-10-08
Publication date: 1988-04-21

Abstract

The invention relates to a device for concentrating direct and diffuse sunlight. With the aid of needle-shaped glass bodies, incident light rays from very different directions are brought to directions which deviate markedly less from one another. Using convergent lenses or mirrors, these light rays can be concentrated and the entire process repeated, possibly in a plurality of steps.

Description

Die Konzentrierung von direktem Sonnenlicht ist bisher durch verschiedene Konstruktionen mit Spiegeln und Linsen erreicht worden.The concentration of direct sunlight is so far various constructions achieved with mirrors and lenses been.

Die Konzentrierung von diffusem Sonnenlicht ist dagegen nur recht unvollkommen gelungen, wie z. B. durch Kunststoff scheiben, die das Licht an den Rändern austreten lassen. Das diffuse Sonnenlicht macht aber einen großen Teil des in der Bundesrepublik und vielen nördlichen Ländern eingestrahlten Lichtes aus. Die Nutzung seines Energieinhaltes über das bisher z. B. in Flachkollektoren erreichte Maß, ist darum wünschenswert. Auch für die Nutzung des direkten Sonnenlichts ist es von Vorteil, wenn die Konzentrierung durch eine Vorrichtung ge schieht, die nicht dem Lauf der Sonne nachgeführt werden muß.The concentration of diffuse sunlight is against succeeded only imperfectly, e.g. B. by plastic discs that let the light come out at the edges. However, the diffuse sunlight makes up a large part of the in the Federal Republic and many northern countries Light out. The use of its energy content over that so far e.g. B. achieved in flat plate collectors is therefore desirable. It is also suitable for the use of direct sunlight Advantage if the concentration by a device ge that does not have to follow the course of the sun.

Eine technisch verhältnismäßig unkomplizierte und für die Kon zentrierung von diffusem und direktem Sonnenlicht geeignete Vorrichtung zu schaffen, ist das Ziel der vorliegenden Erfin dung.A technically relatively uncomplicated and for the Kon centering diffuse and direct sunlight The aim of the present invention is to create a device dung.

Die Erfindung macht sich die physikalische Tatsache zu Nutze, daß Lichtstrahlen in einem im Vergleich zum umgebenden Medium optisch dichteren Körper bis zu einem bestimmten Grenzwinkel zwischen dem Lichtstrahl und dem Lot der Auftrittsstelle ent weder totalreflektiert werden oder unter einem bestimmten Winkel austreten. Damit kann das aus einem bestimmten Winkel in den optisch dichteren Körper einfallende Licht durch Licht brechung beim Austritt aus dem Körper unter einem kleineren Winkel ausfallen, bzw. es wird an den Innenwänden des Körpers derart gespiegelt, daß es unter keinem größeren als einem be stimmten Grenzwinkel austreten kann.The invention takes advantage of the physical fact that light rays in a compared to the surrounding medium optically denser body up to a certain critical angle ent between the light beam and the plumb line of the appearance neither be totally reflected or under a certain one Exit the angle. It can do this from a certain angle light entering the optically denser body through light refraction when exiting the body under a smaller one Angle drop out, or it is on the inner walls of the body so mirrored that there is no greater than one agreed limit angle can emerge.

Eine geeignete Vorrichtung, um diesen Effekt zu erreichen, ist in Abb. 1 dargestellt.A suitable device to achieve this effect is shown in Fig. 1.

In einen langschenkligen prismenartigen Glaskörper fallen an der Schmalseite Lichtstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen ein. Je nach der Größe des Einfallwinkels und der optischen Dichte des Glaskörpers werden die Lichtstrahlen stärker oder schwächer zum Einfallslot hin gebrochen. Der größtmögliche Winkel zum Einfallslot ist durch die optische Dichte des Glas körpers gegeben. Der Winkel, unter dem die Lichtstrahlen dann auf eine der Einfallsfläche abgeneigte Wand des Glaskörpers fallen, wird von der Neigung dieser Wand zu jener bestimmt. Wenn der Öffnungswinkel beispielsweise eines Kegels sehr klein ist (wenige Grad), wird der maximale Winkel des auftreffenden Lichtstrahls bei einer Brechungszahl von 1,5 in der Nähe des Austrittswinkels liegen. Bei stärkerer Lichtbrechung (z. B. Brechungszahl 1,7) wird auch der unter maximalem Winkel vom Lot einfallende Lichtstrahl noch mehrere Male an der Wand des Kegels totalreflektiert, bis er den Austrittswinkel erreicht hat. Alle Lichtstrahlen, die unter flacherem Winkel als dem Maximalwinkel in den Glaskörper eindringen, werden entsprechend öfter an den Wänden des Glaskörpers totalreflektiert, bis sie den Austrittswinkel erreicht haben.Fall into a long-legged prism-like glass body the narrow side light rays from different directions a. Depending on the size of the angle of incidence and the optical Density of the vitreous, the light rays become stronger or broken weaker towards the ingenuity. The greatest possible The angle to the perpendicular is due to the optical density of the glass given body. The angle at which the rays of light then on a wall of the vitreous body inclined to the incidence surface fall is determined by the inclination of this wall to that. If the opening angle of a cone, for example, is very small is (a few degrees), the maximum angle of the incident Light beam at a refractive index of 1.5 near the Exit angle. If there is more light refraction (e.g. Refractive index 1.7) is also the maximum angle from Lot of incident light beam hit the wall of the wall several times Kegels totally reflected until it reaches the exit angle Has. All light rays that are at a flatter angle than that Maximum angles penetrating into the vitreous will be accordingly more often totally reflected on the walls of the vitreous until they have reached the exit angle.

Die Größe des Austrittswinkels hängt von dem Öffnungswinkel des Kegels und der Brechungszahl ab. Bei einem Öffnungswinkel bei spielsweise von 3 Grad und einer Brechungszahl von 1,5 beträgt der maximale Austrittswinkel 10 Grad rund um den Kegel. Bei einem halbkugelförmig aus 180 Grad verschiedenen Richtungen einfallendem diffusem Licht wird also eine Konzentration auf einen Kegel von 20 Grad erreicht.The size of the exit angle depends on the opening angle of the Cone and the refractive index. With an opening angle at example of 3 degrees and a refractive index of 1.5 the maximum exit angle is 10 degrees around the cone. At a hemispherical from 180 degrees different directions incident diffuse light is a concentration on reached a cone of 20 degrees.

Damit das Licht möglichst nicht zu weite Strecken im Glas körper zurücklegt und damit an Intensität verliert und damit auch die Kosten des Materials niedrig gehalten werden, empfiehlt es sich, die Glaskörper möglichst klein zu gestalten und eine Vielzahl solcher Kegel auf einer Fläche nebeneinander anzu ordnen.So that the light is not too far in the glass body covers and thus loses intensity and thus also the cost of the material can be kept low, recommends it to make the vitreous as small as possible and one Large number of such cones to be placed side by side on a surface organize.

Bei derartig nebeneinander angeordneten kegel- oder auch nadel förmigen Glaskörpern mit konstantem Öffnungswinkel dringen die austretenden Lichtstrahlen zum Teil in die Nachbarkegel ein und werden, wiederum zum Teil, erheblich abgelenkt.With such a conical or needle arranged side by side shaped glass bodies with a constant opening angle penetrate the emerging light rays partially into the neighboring cone and are, in part, distracted considerably.

Um das zu vermeiden, kann man, wie in Abb. 2 dargestellt, die Glaskörper derart gestalten, daß sie sich in dem Bereich des frühestmöglichen Austritts des Lichts nur wenig verengen und also der Austrittswinkel sehr klein bleibt und daß sie sich mit zunehmender Annäherung an die Spitze schneller verengen. Bei höherer Brechungszahl des Glaskörpers kann auch die Strecke die zur Konzentration der Lichtstrahlen bis zum frühesten Aus trittspunkt gebraucht wird, verkürzt werden, indem der Glas körper wie in Abb. 3 gezeigt, sich in der Nähe der Eintritts fläche des Lichts zunächst stärker verengt und mit der Annähe rung an den Bereich, in dem das Licht den Austrittswinkel er reicht, sich wieder langsamer verengt, damit der Austrittswinkel nicht zu groß wird, wie oben gezeigt wurde.To avoid this, as shown in Fig. 2, the vitreous can be designed in such a way that it narrows only a little in the area of the earliest possible exit of the light, and so the exit angle remains very small, and that it becomes increasingly closer to it Constrict tip faster. If the glass body has a higher refractive index, the distance used to concentrate the light rays up to the earliest exit point can also be shortened, as shown in Fig. 3, the glass body initially narrows more near the entrance surface of the light and with The approach to the area in which the light reaches the exit angle narrows more slowly so that the exit angle does not become too large, as was shown above.

Wenn man einen gewissen Verlust an Lichtintensität durch das wiederholte Eindringen der Lichtstrahlen in Nachbarkegel in Kauf nehmen will, kann man natürlich auf die eben dargestellte technisch aufwendige Formgebung der Kegel verzichten. Der Ver lust wird ohnehin umso geringer, je mehr die Lichtstrahlen in der Nähe der Kegelspitzen austreten. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein Lichtstrahl, der wegen der Größe des Austrittswinkels auf einen Nachbarkegel treffen könnte, auch tatsächlich auf trifft, nimmt mit dem Quadrat der Annäherung an die Spitzen der Kegel ab.If you have a certain loss of light intensity through the repeated penetration of light rays into neighboring cones If you want to buy, you can of course go to the one shown above dispense with the technically complex shape of the cone. The Ver anyway, the more the rays of light in, the less the desire becomes emerge near the cone tips. The probability, that a beam of light because of the size of the exit angle could actually hit a neighboring cone hits, takes with the square of the approach to the tops of the Cone off.

Das aus den Glaskörpern austretende Licht kann durch Linsen oder Spiegel konzentriert werden. Wenn die erreichte Konzentra tion für den vorgesehenen Verwendungszweck nicht genügt, kann das Licht dann auf die gleiche Weise, eventuell in mehreren Stufen, auf die gewünschte Konzentration gebracht werden.The light emerging from the vitreous bodies can be through lenses or mirror can be concentrated. When the concentration reached tion is not sufficient for the intended use then the light in the same way, possibly in several Levels to be brought to the desired concentration.

Claims

1. Device for concentrating diffuse sunlight with refractive substances, characterized in that the light in a body narrowing with increasing distance from the point of incidence is totally reflected on the inner walls of this body until the angle of the light rays relative to the inner walls has become so large is that the light rays come out of the body.

2. Device according to claim 1, characterized in that the narrowing body the shape of a wedge, one Pyramid or a cone.

3. Device according to claim 2, characterized in that the narrowing body from where the rays of light by the reflection on the inner walls near the end step angle, slowly at first and with increasing Distance from incidence narrowed faster.

4. The device according to claim 2, characterized in that the narrowing body near the point of incidence of the Light narrows faster than in the area where the light rays reach the exit angle.

5. The device according to claim 1-4, characterized in that the narrowing body juxtaposed in large numbers is arranged.

6. The device according to claim 1-5, characterized in that the light emerging from the narrowing bodies Lens or mirror is concentrated.

7. The device according to claim 6, characterized in that the light so concentrated, in the same way again is concentrated.