DE10059455A1

DE10059455A1 - Static concentrator

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Publication number: DE10059455A1
Application number: DE10059455A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-06
Also published as: WO2002044766A3; AU2002215866A1; WO2002044766A2

Abstract

The invention relates to a concentrator for concentrating incident light on a predetermined area or on a predetermined volume with an entry area and an exit area. In order to provide a static concentrator that is capable of concentrating not only direct radiation but also diffuse radiation with a high level of efficiency, the invention provides that an area-reducing element (3) is connected up from an angle-reducing element (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Konzentrator zur Konzentration einfallenden Lichts auf eine vorbestimmte Fläche bzw. ein vorbestimmtes Volumen mit einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche. Unter der Eingangsfläche des Konzentrators wird diejenige Fläche verstanden, die dafür vorgesehen ist, Sonnenlicht aufzunehmen, während unter der Ausgangsfläche diejeni ge Fläche verstanden wird, die dafür vorgesehen ist, das konzentrierte Sonnenlicht auf ein vor bestimmtes Volumen bzw. eine vorbestimmte Fläche abzugeben.The present invention relates to a concentrator for concentrating incident light a predetermined area or volume with an input area and a Output surface. The entrance surface of the concentrator is understood to mean that surface which is intended to take in sunlight, while those under the exit surface ge area is understood, which is intended, the concentrated sunlight on a front deliver a certain volume or a predetermined area.

Insbesondere in der Photovoltaik-Technik besteht ein großer Bedarf an Konzentratoren. Obwohl der Preis für die sogenannten Solarzellen in den letzten Jahren deutlich gesunken ist, ist der Solarstrom immer noch deutlich teurer als der aus herkömmlichen Kraftwerken erhältliche. Auf dem Markt befindliche Solarzellen könnten prinzipiell einer erheblich größeren Lichtdichte aus gesetzt werden. Die Grenze wird dabei im wesentlichen nur durch die Wärmeentwicklung auf grund von nicht in Strom umgewandelter Energie bestimmt. Würde eine Solarzelle beispielswei se mit einer etwa dreimal größeren Lichtdichte belastet, so könnte mit derselben Solarzelle in etwa die dreifache Strommenge erzeugt werden. Die Solarstromerzeugungskosten wären dann erheblich niedriger und könnten mit herkömmlichem Kraftwerksstrom konkurrieren. There is a great need for concentrators in particular in photovoltaic technology. Even though the price for the so-called solar cells has dropped significantly in recent years is the Solar power is still significantly more expensive than that available from conventional power plants. On In principle, solar cells on the market could have a significantly higher light density be set. The limit is essentially only due to the development of heat determined by energy not converted into electricity. Would a solar cell, for example with an approximately three times greater light density, the same solar cell could be used in about three times the amount of electricity generated. The solar power generation costs would then be significantly lower and could compete with conventional power plant electricity.

Um die Lichtdichte zu erhöhen, kommen bereits statische Konzentratoren zum Einsatz. Dabei wird die einfallende, direkte Strahlung mittels einer Optik auf eine Solarzelle konzentriert. Als Optik kommen bereits sowohl abbildende Systeme (z. B. klassische Linsen, Fresnellinsen aber auch Hohlspiegel) als auch nicht abbildende Systeme (z. B. 3D-θ_in/θ_out-Konzentratoren) zum Einsatz.Static concentrators are already used to increase the light density. The incident direct radiation is concentrated on a solar cell using optics. Both imaging systems (e.g. classic lenses, Fresnel lenses but also concave mirrors) and non-imaging systems (e.g. 3D-θ _in / θ _out concentrators) are already used as optics.

Obgleich mit einer Optik meist nur ein Wirkungsgrad bis zu 80-90% erzielt wird, kann die Licht dichte dadurch dennoch erheblich gesteigert werden.Although optics usually only achieve an efficiency of up to 80-90%, the light can density can nevertheless be increased considerably.

Die bekannten Konzentratormodule sind jedoch nur in der Lage, direktes Sonnenlicht in elektri sche Energie umzuwandeln. Der Diffusanteil des Sonnenlichts kann jedoch durchaus bis zu 50% betragen, d. h. mit den bekannten Konzentratoren kann nur zwischen 50 und maximal 90% der Gesamtsolarstrahlung konzentriert werden. Aus diesem Grunde sind bereits nachgeführte Sy steme auf dem Markt, die Solarzelle samt Konzentrator entsprechend dem Sonnenverlauf aus richten. Dadurch ist gewährleistet, daß das Verhältnis von Direktstrahlung zu Gesamtstrahlung optimiert wird. Dennoch kann auch hier die Diffusstrahlung nicht genutzt werden. Zudem sind die nachgeführten Systeme aufgrund der notwendigen beweglichen Mechanik wartungsintensiv.The known concentrator modules are, however, only able to direct sunlight into electri convert energy. However, the amount of diffuse sunlight can be up to 50% amount, d. H. with the known concentrators, only between 50 and a maximum of 90% of the Total solar radiation can be concentrated. For this reason, already updated Sy steme on the market, the solar cell including the concentrator according to the course of the sun judge. This ensures that the ratio of direct radiation to total radiation is optimized. However, the diffuse radiation cannot be used here either. They are also Tracked systems are maintenance-intensive due to the necessary moving mechanics.

Es sind bereits Anordnungen von keilförmigen optischen Körpern vorgeschlagen worden, um neben Direktstrahlung auch Diffusstrahlung zu konzentrieren. Durch die keilförmigen optischen Körper kann zwar der Öffnungswinkel der einfallenden Strahlung deutlich reduziert werden, das an der bzw. den Ausgangsflächen austretende Licht ist jedoch nicht ausreichend "quasiparallel", so daß zwar Direktstrahlung und Diffusstrahlung, die im allgemeinen mit einem Öffnungswinkel von etwa 180° auf die Eingangsfläche des Konzentrators trifft, auf einen deutlich kleineren Öff nungswinkelbereich reduziert wird, die Fläche, auf die das aus der oder den Ausgangsflächen des Keils tretende Licht abgebildet wird, aber nicht kleiner, sondern größer als die Eingangsflä che geworden ist. Auch die Anordnung von mehreren keilförmigen Elementen nebeneinander ist nicht realisierbar, da Teile des aus den Ausgangsflächen des Konzentrators austretenden Lichts in die benachbarten keilförmigen Elemente eintreten kann und dort sehr ungünstig abgelenkt wird und für die Konzentration nicht mehr zur Verfügung steht.Arrangements of wedge-shaped optical bodies have already been proposed to to focus on diffuse radiation in addition to direct radiation. Due to the wedge-shaped optical Although the beam angle of the incident radiation can be significantly reduced, the body however, light emerging at the exit surface (s) is not sufficiently "quasi-parallel", so that although direct radiation and diffuse radiation, generally with an aperture angle of about 180 ° meets the entrance surface of the concentrator, on a significantly smaller opening The angular range is reduced to the area to which that from the exit area or areas of the wedge light is shown, but not smaller, but larger than the input surface che has become. The arrangement of several wedge-shaped elements next to one another is also possible not feasible because parts of the light emerging from the exit surfaces of the concentrator can enter into the adjacent wedge-shaped elements and there is very unfavorably deflected and is no longer available for concentration.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen statischen Konzentrator bereitzustellen, der in der Lage ist, neben Direktstrahlung auch Diffusstrahlung mit einem hohen Wirkungsgrad zu konzentrieren. The present invention is therefore based on the object of a static concentrator To provide, which is able to diffuse radiation with a high in addition to direct radiation Focus efficiency.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Konzentrator sowohl ein winkel reduzierendes Element als auch ein flächenreduzierendes Element aufweist, wobei das flächen reduzierende Element dem winkelreduzierenden Element vorgeschaltet ist. Mit anderen Worten durchläuft das auf die Eingangsfläche des Konzentrators auftreffende Licht zunächst das flä chenreduzierende Element und erst danach das winkelreduzierende Element, bevor es aus der oder den Ausgangsflächen des Konzentrators austritt. Als winkelreduzierendes Element kann beispielsweise der eingangs genannte Keil verwendet werden. Es sind aber selbstverständlich auch andere winkelreduzierende Elemente, wie z. B. ein kegelförmiger optischer Körper, ver wendbar. Das flächenreduzierende Element kann jede beliebige abbildende oder auch nicht abbildende Optik oder ein optischer Körper sein, der eine Eingangsfläche hat, die größer als seine Ausgangsfläche ist. Dem winkelreduzierenden Element kann beispielsweise eine Fokus siereinrichtung, wie z. B. eine Linse nachgeschaltet sein.This object is achieved in that the concentrator is both an angle has reducing element as well as a surface-reducing element, the surfaces reducing element is connected upstream of the angle-reducing element. In other words the light striking the input surface of the concentrator first passes through the flä element and then the angle-reducing element before it leaves the or emerges from the exit surfaces of the concentrator. Can be used as an angle-reducing element for example, the wedge mentioned above can be used. But it goes without saying also other angle-reducing elements, such as. B. a conical optical body, ver reversible. The area-reducing element can be any imaging element or not imaging optics or an optical body that has an input surface that is larger than its starting area is. The angle-reducing element can have a focus, for example siereinrichtung, such as. B. a lens.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das flächenreduzierende Element einen optischen Körper, vorzugsweise in Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes, aufweist, dessen Querschnitt sich in Strahlrichtung verjüngt. Das Licht wird dadurch in dem opti schen Körper geführt, bis es das flächenreduzierende Element an seiner verjüngten Ausgangs fläche verläßt. Da der Konzentrator für die Konzentration von Sonnenlicht vorgesehen ist, wird er im allgemeinen derart angeordnet sein, daß die Eingangsfläche nach oben und die Ausgangsflä che nach unten weist. Selbstverständlich kann der Konzentrator jedoch auch in jeder beliebigen anderen Orientierung mit Vorteil eingesetzt werden. So ist es beispielsweise möglich, das Son nenlicht zunächst mit einer Umlenkoptik umzulenken, so daß dann die Eingangsfläche nicht mehr oben und die Ausgangsfläche nicht mehr unten angeordnet ist. Wenn im folgenden den noch von oben und unten die Rede ist, so soll unter oben immer in Richtung der Eingangsfläche und unter unten immer in Richtung der Ausgangsfläche verstanden werden.An embodiment in which the area-reducing element is one is particularly preferred optical body, preferably in the form of a truncated cone or a truncated pyramid, has whose cross-section tapers in the beam direction. The light is thereby in the opti body until it has the area-reducing element at its tapered output area leaves. Since the concentrator is designed to concentrate sunlight, it will generally be arranged so that the entrance surface up and the exit surface che points down. Of course, the concentrator can also be used in any other orientation can be used with advantage. For example, the Son to first deflect light with a deflecting lens so that the entrance surface is not more above and the starting surface is no longer arranged below. If in the following is still mentioned from above and below, so below should always go towards the entrance area and below are always understood in the direction of the starting surface.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, daß der optische Körper des flächen reduzierenden Elements im oberen Bereich seiner Mantelfläche verspiegelt ist. Diese Maßnah me hat zur Folge, daß zumindest die Lichtstrahlen, die im oberen Bereich des flächenreduzie renden Elements mit der optischen Achse einen großen Winkel einschließen, den optischen Körper im oberen Bereich des flächenreduzierenden Elements nicht an der Seite verlassen kön nen. Die Lichtstrahlen werden vielmehr an der Mantelfläche gespiegelt und zurück in den opti schen Körper geleitet. Durch die Reflexion an der verspiegelten Außenfläche des sich verjün genden optischen Körpers wird jedoch der Winkel des reflektierten Lichtstrahls gegenüber der optischen Achse vergrößert. Wird der Winkel des Lichtstrahls zu groß, so wird das Licht die Richtung umkehren und wieder zu der Eingangsfläche des flächenreduzierenden Elements zu rückgespiegelt. Daher ist es nicht vorteilhaft, den sich verjüngenden optischen Körper des flächenreduzierenden Elements ohne zusätzliche Maßnahmen auch im unteren Bereich an der Mantelfläche verspiegelt auszuführen. Die Größe des verspiegelten oberen Mantelbereichs wird daher vorzugsweise so bemessen, daß selbst Licht, das mit einem großen Winkel zur Vertikalen auf die Eingangsfläche des flächenreduzierenden Elements auftritt, von dem flächenreduzieren den Element nicht zurückreflektiert, sondern in Strahlrichtung auf eine reduzierte Fläche abgebil det wird. Dies hat jedoch zur Folge, daß unter Umständen im unteren Bereich des flächenredu zierenden Elements Lichtstrahlen seitlich aus dem flächenreduzierenden Element austreten können.A particularly expedient embodiment provides that the optical body of the surface reducing element is mirrored in the upper area of its lateral surface. This measure me has the consequence that at least the light rays in the upper area of the area element with the optical axis enclose a large angle, the optical Body in the upper area of the surface-reducing element cannot leave the side NEN. The light rays are rather reflected on the outer surface and back into the opti body. Due to the reflection on the mirrored outer surface of the taper However, the angle of the reflected light beam relative to the optical body optical axis enlarged. If the angle of the light beam becomes too large, the light becomes the Reverse direction and again towards the entrance surface of the area-reducing element back mirrored. Therefore, it is not advantageous to use the tapered optical body to reduce the area Elements without additional measures also in the lower area on the The surface is mirrored. The size of the mirrored upper mantle area becomes therefore preferably dimensioned so that even light that is at a large angle to the vertical occurs on the input surface of the area-reducing element, of which area-reducing the element is not reflected back, but is projected onto a reduced area in the beam direction det. However, this has the consequence that under certain circumstances in the lower area of the reduced area decorative element, light rays emerge laterally from the area-reducing element can.

Aus diesem Grunde wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß an den Sei tenwänden des optischen Körpers zumindest ein Prisma bzw. ein winkeländerndes Element angeordnet ist, wobei der Brechungsindex n₁ des Prismas größer als 1 ist. Da unter einem opti schen Körper auch ein Prisma verstanden werden kann, wird im folgenden der optische Körper auch als Hauptkörper im Gegensatz zu den an den Seitenwänden des Hauptkörpers angeordne ten Prismen bezeichnet. Durch den mindestens einen zusätzlichen optischen Körper in Prismen form wird das eventuell im unteren Bereich des flächenreduzierenden Elements aus der Seiten wand des Hauptkörpers austretende Licht derart gebrochen, daß der Winkel, den das gebroche ne Licht mit der optischen Achse einschließt, kleiner ist als der Winkel des den optischen Haupt körper an seiner Seitenwand verlassenden Lichtstrahls mit der optischen Achse einschließt. Es versteht sich, daß das winkeländernde Element nicht notwendigerweise ein Prisma sein muß. Mit Erfolg kommt hier auch ein Gitter, insbesondere ein Echellette-Gitter, zur Anwendung.For this reason, it is provided in a preferred embodiment that at least one prism or an angle-changing element is arranged on the side walls of the optical body, the refractive index n _{1 of} the prism being greater than 1. Since an optical body can also be understood as a prism, the optical body is also referred to below as the main body in contrast to the prisms arranged on the side walls of the main body. By at least one additional optical body in the form of a prism, the light emerging in the lower region of the area-reducing element from the side wall of the main body is broken in such a way that the angle which the broken ne includes the optical axis is smaller than the angle of the optical main body on its side wall leaving light beam with the optical axis. It goes without saying that the angle-changing element does not necessarily have to be a prism. A grating, in particular an Echellette grating, is also successfully used here.

Es versteht sich, daß das flächenreduzierende Element auch winkelreduzierende Wirkung haben kann. Am Ausgang des flächenreduzierenden Elements kann die Strahlungsintensität für Strah len, die mit der optischen Hauptachse einen von Null verschiedenen Winkel einschließen, maxi mal sein. Bei einer besonderen Ausführungsform kann vorgesehen werden, daß die Abweichung (Streuung) einiger Strahlenwinkel von dem Strahlenwinkel mit maximaler Intensität reduziert wird. Mit anderen Worten wird die Winkelaufweitung des einfallenden Strahles reduziert. Dies kann wiederum genutzt werden, den winkelreduzierenden Teil als winkel-transformierenden Teil auszuführen, welches Licht, das mit dem Strahlenwinkel der maximalen Intensität einfällt, zur Hauptachse hin bricht, so daß vorzugsweise die Strahlen maximaler Intensität parallel zur opti schen Hauptachse verlaufen. Das Verhältnis von Eingangsfläche zu Ausgangsfläche dieses Winkeltransformators ist sehr günstig, da es fast 1 beträgt. Ist die winkelreduzierende Wirkung im flächenreduzierenden Element groß genug, so kann das winkelreduzierende Element auch lediglich ein winkeltransiormierendes Element sein. It goes without saying that the area-reducing element also has an angle-reducing effect can. At the output of the area-reducing element, the radiation intensity for beam can be len, which include a non-zero angle with the main optical axis, maxi times be. In a special embodiment it can be provided that the deviation (Scattering) some beam angles reduced from the beam angle with maximum intensity becomes. In other words, the angular expansion of the incident beam is reduced. This can be used again, the angle-reducing part as an angle-transforming part to carry out which light, which is incident with the beam angle of the maximum intensity, for Main axis breaks, so that preferably the rays of maximum intensity parallel to the opti main axis. The ratio of entrance area to exit area of this Angular transformer is very cheap because it is almost 1. Is the angle-reducing effect large enough in the area-reducing element, so can the angle-reducing element just be an angle-transmitting element.

Vorzugsweise wird an der Seitenwand nicht nur ein Prisma, sondern eine ganze Reihe von Prismen angeordnet. Diese Prismen sind mit Vorteil periodisch von oben nach unten auf der Seitenwand des optischen Hauptkörpers angeordnet. Selbstverständlich ist es auch möglich, in einer Richtung senkrecht zur optischen Hauptachse mehrere Prismen nebeneinander anzuord nen. Es können beispielsweise identische Prismen periodisch angeordnet werden. Es ist aber auch möglich, Prismen mit unterschiedlichen Größen nebeneinander anzuordnen. Die Prismen müssen auch nicht notwendigerweise in etwa kreisförmig den optischen Hauptkörper umgebend angeordnet sein, sondern können beispielsweise auch spiralförmig entlang der Außenwand des optischen Hauptkörpers angeordnet werden. Es versteht sich, daß der optische Körper auch den Brechungsindex 1 haben kann, d. h. aus Luft gebildet werden. In diesem Fall kommt es nur auf die Anordnung der Prismen an. Die Prismen können im übrigen auch innerhalb des flächenre duzierenden Körpers angeordnet sein. In diesem Fall muß sich jedoch der Brechungsindex der Prismen von dem Brechungsindex des optischen Hauptkörpers unterscheiden.Preferably not only a prism but a whole row of prisms is arranged on the side wall. These prisms are advantageously arranged periodically from top to bottom on the side wall of the main optical body. Of course, it is also possible to arrange a plurality of prisms next to one another in a direction perpendicular to the main optical axis. For example, identical prisms can be arranged periodically. However, it is also possible to arrange prisms with different sizes next to one another. The prisms also do not necessarily have to be arranged in an approximately circular manner surrounding the optical main body, but can for example also be arranged in a spiral along the outer wall of the optical main body. It goes without saying that the optical body can also have the refractive index 1 , ie it can be formed from air. In this case, it only depends on the arrangement of the prisms. The prisms can also be arranged inside the surface-reducing body. In this case, however, the refractive index of the prisms must be different from the refractive index of the main optical body.

Die Prismen können beispielsweise einstückig mit dem optischen Körper ausgebildet sein. In diesem Fall werden die Seitenwände der Prismen beispielsweise durch vorzugsweise nicht par allele Einschnitte in die Außenwand des Hauptkörpers gebildet.The prisms can, for example, be formed in one piece with the optical body. In In this case, the side walls of the prisms are preferably not par, for example allelic incisions formed in the outer wall of the main body.

Bevorzugt ist allerdings eine Ausführungsform, bei der das zumindest eine Prisma nicht einstüc kig mit dem Hauptkörper ausgebildet ist. Mit Vorteil ist zwischen dem optischen Hauptkörper und dem Prisma ein Spalt vorgesehen. Hat der Spalt zudem keine kontinuierliche Breite, so kann der Übergang vom optisch dichteren in das optisch dünnere Medium, das heißt von dem optischen Hauptkörper in Luft, und der anschließende Übergang vom optisch dünneren in das optisch dic kere Medium, das heißt von Luft in das benachbart angeordnete Prisma, benutzt werden, um den Winkel zwischen dem aus dem optischen Hauptkörper austretendem Lichtstrahl und der optischen Hauptachse zu verringern. Das zumindest eine Prisma ist vorzugsweise so angeord net, daß die Spitze des Prismas in etwa nach oben ausgerichtet ist. Die Spitze weist vorzugs weise einen Spitzenwinkel von weniger als 90° auf.However, an embodiment is preferred in which the at least one prism does not protrude kig is formed with the main body. It is advantageous between the optical main body and a gap is provided for the prism. If the gap also has no continuous width, it can Transition from the optically denser to the optically thinner medium, i.e. from the optical one Main body in air, and the subsequent transition from the optically thinner to the optically dic kere medium, that is, of air in the adjacent prism, can be used to the angle between the light beam emerging from the main optical body and the to reduce the main optical axis. The at least one prism is preferably arranged in this way net that the tip of the prism is aligned approximately upwards. The tip shows preference have a tip angle of less than 90 °.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, daß die Seitenwände des flächenre duzierenden Elements verspiegelt sind, wobei sich das zumindest eine Prisma zwischen opti schem Hauptkörper und der Verspiegelung befindet. Je nach Anwendungsfall kann die Verspie gelung dadurch erfolgen, daß zumindest eine nach Außen gerichtete Seite des Prismas verspie gelt ist oder durch Vorsehen einer separaten Verspiegelung, z. B. in Form einer das flächenre duzierende Element umgebenden reflektierenden Folie. Vorzugsweise ist die Verspiegelung in etwa parallel zur Oberfläche des Hauptkörpers angeordnet. Durch die Anordnung der Prismen an der Außenwand des optischen Körpers ist es nun möglich, die Verspiegelung auch bis in den unteren Bereich des flächenreduzierenden Elements fortzusetzen. Durch die Prismenanordnung wird erreicht, daß sich die Winkel, den die Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einneh men bei der Reflexion an bzw. außerhalb der Außenwand des optischen Körpers nicht weiter vergrößern. Der Rückstrahleffekt eines verspiegelten Trichter wird so vermieden.A particularly expedient embodiment provides that the side walls of the surface producing element are mirrored, the at least one prism between opti main body and the mirroring. Depending on the application, the verspie success in that at least one outward-facing side of the prism spat is valid or by providing a separate mirroring, e.g. B. in the form of a surface reflective film surrounding element. The mirroring is preferably in arranged approximately parallel to the surface of the main body. By arranging the prisms on the outer wall of the optical body, it is now possible to apply the mirroring to the to continue the lower area of the area-reducing element. Through the prism arrangement is achieved that the angle that the light rays take with the main optical axis no further when reflecting on or outside the outer wall of the optical body enlarge. The retroreflective effect of a mirrored funnel is avoided.

Durch die Verspiegelung kommt es zu einer Reflexion des aus dem optischen Hauptkörper aus tretenden Lichts an der verspiegelten Fläche. Es ist daher nicht unbedingt notwendig, daß die Eingangsspitze des Prismas der Außenwand des optischen Körpers zugewandt ist. Vielmehr kann das Licht auch, nachdem es aus der Außenwand des optischen Körpers ausgetreten ist, zunächst an der verspiegelten Fläche reflektiert werden und dann im Bereich der Eingangsspitze des Prismas in dieses eintreten. Wesentlich ist lediglich, daß das Prisma derart angeordnet ist, daß das aus dem optischen Hauptkörper austretende Licht entweder direkt oder nach der Refle xion im wesentlichen im Bereich der Eingangsspitze in das Prisma eintritt und nicht etwa im Be reich der der Eingangsspitze abgewandten Fläche.The mirroring results in a reflection of the optical main body stepping light on the mirrored surface. It is therefore not absolutely necessary that the Input tip of the prism faces the outer wall of the optical body. Much more even after the light has emerged from the outer wall of the optical body, be reflected first on the mirrored surface and then in the area of the entrance tip of the prism. It is only essential that the prism is arranged in such a way that the light emerging from the main optical body either directly or after the reflect xion essentially enters the prism in the area of the entrance tip and not in the area of the be range of the surface facing away from the input tip.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzentrators sieht vor, daß eine Seite des zumindest einen Prismas so angeordnet ist, daß möglichst alle in das Prisma eingetretenen Lichtstrahlen an der dem optischen Hauptkörper abgewandten Seite des Prismas totalreflektiert werden, d. h. nach unten umgelenkt werden. Dazu sollte die von dem Hauptkörper abgewandte Seite des Prisma mit der optischen Hauptachse einen Winkel α ein schließen, für den
A particularly expedient embodiment of the concentrator according to the invention provides that one side of the at least one prism is arranged in such a way that as far as possible all light rays that have entered the prism are totally reflected on the side of the prism facing away from the optical main body, that is to say are deflected downward. For this purpose, the side of the prism facing away from the main body should form an angle α with the main optical axis for which

gilt, wobei n₀ der Brechungsindex des die Seiten fläche umgebenden Mediums ist, d. h. z. B. 1 für Luft, n₁ der Brechungsindex des Prismas ist und δ_max der größte Winkel ist, den die an der dem Hauptkörper zugewandten Seite des Prismas in dieses eingetretenen Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einschließen. Dieser speziell orientierten Seite dieser Ausführungsform kommt dabei eine wesentliche Bedeutung zu. Durch die Totalreflexion der Lichtstrahlen, die einen großen Winkel mit der optischen Hauptachse ein schließen, wird nämlich erreicht, daß diese Lichtstrahlen nicht zu der Eingangsfläche zurückge spiegelt werden, sondern, wenn Sie zurück in den optischen Hauptkörper geführt werden, immer einen Winkel kleiner als 90° mit der optischen Hauptachse einschließen.applies, where n _{0 is} the refractive index of the medium surrounding the side surface, ie for example 1 for air, n _{1 is} the refractive index of the prism and δ _{max is} the largest angle which the prism on the side facing the main body entered Include light rays with the main optical axis. This specially oriented side of this embodiment is of essential importance. The total reflection of the light rays, which form a large angle with the main optical axis, means that these light rays are not reflected back to the input surface, but always, when they are guided back into the main optical body, an angle of less than 90 ° enclose with the main optical axis.

Eine andere Möglichkeit dies zu erreichen, wird in einer anderen bevorzugten Ausführungsform verwirklicht. Es ist nämlich auch möglich, Prismen mit einer verspiegelten Fläche an bzw. in der Nähe der Außenwand des optischen Körpers anzuordnen. Dabei ist das Prisma mit Vorteil derart angeordnet, daß eine Spitze, die Eingangspitze im wesentlichen nach oben ausgerichtet ist, und die verspiegelte Fläche, die an der dem optischen Hauptkörper abgewandten Seite des Prismas angeordnet sein sollte, in etwa parallel zur optischen Hauptachse ausgerichtet ist. Da beim Durchgang von Licht durch ein Prisma das Licht immer von der brechenden Kante weggebro chen wird, wird durch die Kombination des Prismas mit der Verspiegelung erreicht, daß der Win kel den das in das Prisma eintretenden Licht mit der optischen Hauptachse einnimmt, größer ist als der Winkel den das aus dem Prisma austretende Licht mit der optischen Hauptachse ein nimmt.Another way to achieve this is in another preferred embodiment realized. It is also possible to use prisms with a mirrored surface on or in the To be placed near the outer wall of the optical body. The prism is advantageously such arranged that a tip, the input tip is substantially aligned, and the mirrored surface on the side of the prism facing away from the main optical body should be arranged, is aligned approximately parallel to the main optical axis. Since at Passage of light through a prism, the light always broken away from the breaking edge Chen is achieved by the combination of the prism with the mirror that the Win kel the light entering the prism occupies with the main optical axis, is larger than the angle that the light emerging from the prism enters with the main optical axis takes.

Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, wenn an einer der der Eingangsspitze abgewandten Seite zumindest eines Prismas ein zweites Prisma angeordnet ist, wobei das zwei te Prisma einen Brechungsindex n₂ hat, der kleiner als der Brechungsindex n₁ des zumindest einen Prismas ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß unter Umständen manche Lichtstrahlen an der der Eingangsspitze abgewandten Seite des Prismas derart ungünstig auftreffen, daß sie nicht transmittieren, sondern totalreflektiert werden. Durch die Anordnung eines zweiten Prismas mit einem etwas geringeren Brechungsindex wird der Grenzwinkel der Totalreflexion herabge setzt, so daß auch die ungünstig verlaufenden Lichtstrahlen aus dem ersten Prisma in das zwei te Prisma gelangen können. Wesentlich ist, daß zumindest einige Lichtstrahlen von dem Prisma mit dem Brechungsindex n₁ direkt in das Prisma mit dem Brechungsindex n₂ eintreten können. Dieses zweite Prisma ist vorzugsweise so angeordnet, daß eine Spitze im wesentlichen nach unten zeigt. Mit Vorteil ist diese Spitze zusätzlich in Richtung des Hauptkörpers geneigt. Die Übergangsfläche zwischen benachbarten Prismen muß nicht geradflächig sein. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß der Übergang von dem Prisma mit niedrigerem Brechungsindex in ein darunter liegendes Prisma mit größerem Brechungsindex zu einer Verschlechterung des Strah lenverlaufs führt. Dies wird aber durch den Spitzenwinkel des darunter liegenden Prismas kom pensiert.For some applications it can be advantageous if a second prism is arranged on one side of at least one prism facing away from the input tip, the second prism having a refractive index n ₂ which is smaller than the refractive index n _{1 of} the at least one prism. It has been shown that under certain circumstances some light rays hit the side of the prism facing away from the input tip so unfavorably that they do not transmit, but are totally reflected. By arranging a second prism with a slightly lower refractive index, the critical angle of the total reflection is reduced so that the unfavorably extending light rays from the first prism can get into the second te prism. It is essential that at least some light rays from the prism with the refractive index n ₁ can enter directly into the prism with the refractive index n ₂ . This second prism is preferably arranged so that a tip points substantially downwards. This tip is also advantageously inclined in the direction of the main body. The transition area between adjacent prisms need not be straight. It should be noted at this point that the transition from the prism with a lower refractive index to an underlying prism with a larger refractive index leads to a deterioration in the radiation pattern. However, this is compensated for by the tip angle of the prism below.

Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, daß der brechende Winkel ϕ, das heißt der Spitzenwinkel ϕ, so groß gewählt wird, daß das in das Prisma eintretende Licht nicht an den Seitenflächen austreten kann, die der Eingangsspitze benachbart sind. Vielmehr werden die eingetretenen Lichtstrahlen an diesen Seitenflächen total reflektiert.For some applications it can be advantageous that the refractive angle ϕ, that is the tip angle ϕ is chosen so large that the light entering the prism does not reach the Can emerge side surfaces that are adjacent to the input tip. Rather, they are incoming light rays totally reflected on these side surfaces.

Um Prismen mit kleinerem brechendem Winkel verwenden zu können, kann es von Vorteil sein, wenn zumindest eine Seitenfläche, die an die Eingangsspitze grenzt, verspiegelt ist und für den brechenden Eingangswinkel gilt:
In order to be able to use prisms with a smaller refractive angle, it can be advantageous if at least one side surface that borders on the entrance tip is mirrored and applies to the refractive entrance angle:

wobei n₁ der Brechungsindex des Prismas ist und n₀ der Brechungsindex des das Prisma im wesentlichen im Einstrahlbereich umgebenden Mediums ist. Durch die Verwendung solcher Prismen kann das Licht in den Prismen, ähnlich der Lichtleitung in Glasfasern, geführt werden. So wie auch Glasfasern zu einem gewissen Grade gekrümmt werden können, kann auch das Prisma 'Knickstellen' oder, 'Biegestellen' aufweisen, so daß das im Prisma geführte Licht mit der optischen Hauptachse einen kleineren Winkel einschließt. Unter den Knick- und Biegestellen wird selbstverständlich nicht verstanden, daß hier lokale Verzerrungen des Materials auftreten, eine Knickstelle könnte vielmehr beispielsweise dadurch entstehen, daß zumindest eine Seiten fläche des Prismas abgewinkelt ist.where n _{1 is} the refractive index of the prism and n _{0 is} the refractive index of the medium essentially surrounding the prism in the irradiation area. By using such prisms, the light can be guided in the prisms, similar to the light guide in glass fibers. Just as glass fibers can be curved to a certain degree, the prism can also have 'kinks' or 'bends' so that the light guided in the prism forms a smaller angle with the main optical axis. Under the bend and bend points is of course not understood that local distortions of the material occur here, a kink could rather arise, for example, that at least one side surface of the prism is angled.

Eine weitere Ausführungsform wird durch die Verwendung von Echelette-Gitter für die Reflexi onswand des optischen Hauptkörpers verwirklicht. Im Gegensatz zum Spaltgitter, bei dem die Lichtintensität auf verschiedene Peaks verteilt ist, wobei der zentrale Peak der mit der größten Intensität darstellt, wird beim Echelette-Gitter versucht, die gesamte Lichtintensität in einer Beu gungsordnung zu konzentrieren. Dazu wird die Geometrie des Echelette-Gitters derart gewählt, daß das gewünschte Beugungsmaximum der maximalen Intensität eine Ordnung m, die von Null verschieden ist, hat, indem die verschiedenen reflektierenden Gitterelemente um den sogenann ten blaze-Winkel geneigt werden. Die Winkelbreite der Beugungsfigur des Gitterelements ist dabei gleich der Winkelentfernung zwischen zwei Hauptmaxima des Beugungsbildes des Gitters.Another embodiment is through the use of echelette gratings for the reflexions realized on the wall of the optical main body. In contrast to the slit grid, in which the Light intensity is distributed over different peaks, the central peak being the one with the largest Represents intensity, the Echelette grating tries to show the total light intensity in a Beu to concentrate the regulations. For this purpose, the geometry of the Echelette grating is selected in such a way that the desired diffraction maximum of maximum intensity is an order m that of zero is different, the different reflective grating elements around the so-called ten blaze angles. The angular width of the diffraction figure of the grating element is the angular distance between two main maxima of the diffraction pattern of the grating.

Sind die Flächen einer Gitterebenen ein rechtwinkliges Dreieck, so kann man eine Konzentrie rung von 70% des einfallenden Lichtes auf eine Ordnung erhalten.If the surfaces of a lattice plane are a right-angled triangle, you can create a concentric receive 70% of the incident light in an order.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des Konzentrators sieht vor, daß die Eingangs fläche des flächenreduzierenden Elements nicht eben ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß dem flächenreduzierenden Element ein Aufnahmeelement im wesentlichen in Form von sich in Strahlrichtung verengenden optischen Körpern vorgeschaltet ist. Durch diese besondere Ausgestaltung des Eingangsbereichs des Konzentrators wird erreicht, daß der Winkel des in dem optischen Hauptkörper des flächenreduzierenden Elements geführten Lichtstrahls zu der Hauptachse optimiert wird.A particularly useful embodiment of the concentrator provides that the input area of the area-reducing element is not even. This can be done, for example can be achieved that the area-reducing element essentially a receiving element is connected upstream in the form of optical bodies narrowing in the beam direction. Through this Special configuration of the entrance area of the concentrator ensures that the angle of the light beam guided in the main optical body of the area-reducing element the main axis is optimized.

Durch das erfindungsgemäße flächenreduzierende Element wird das auf die Eingangsfläche des Konzentrators fallende Licht auf die Eingangsfläche des winkelreduzierenden Elements abgebil det, wobei die Fläche des winkelreduzierenden Elements deutlich kleiner ist als die Eingangsflä che des Konzentrators. Dies wird z. B. durch den beschriebenen konusförmigen optischen Hauptkörper, vorzugsweise aus massivem (Plexi-)Glas, der von einer speziellen Reflexionswand umgeben ist, welche die aus dem Konus kommenden Strahlen zurückreflektiert, verwirklicht. Due to the area-reducing element according to the invention, this is applied to the input surface of the Concentrator falling light on the input surface of the angle-reducing element det, the area of the angle-reducing element being significantly smaller than the input area surface of the concentrator. This is e.g. B. by the described conical optical Main body, preferably made of solid (plexi) glass, with a special reflection wall is surrounded, which reflects back the rays coming out of the cone.

Diese spezielle Reflexionswand besteht im oberen Bereich des konusförmigen optischen Kör pers lediglich aus einer verspiegelten Wand. Im unteren Bereich besteht die Reflexionswand jedoch aus mehreren Prismen, die an der Außenseite der Konuswand angeordnet sind und die vorzugsweise von einer reflektierenden Schicht umgeben werden. Diese "Prismenwand" sorgt dafür, daß im unteren Bereich des flächenreduzierenden Elements Lichtstrahlen nicht mehr dem normalen Reflexionsgesetz (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) folgen, sondern daß der Ausfalls winkel kleiner als der Einfallswinkel ist. Dies wird durch Lichtbrechung, Totalreflexion und Refle xion an verspiegelten Flächen erreicht, die einzeln oder in Kombination zueinander wirken.This special reflection wall is in the upper area of the conical optical body pers only from a mirrored wall. The reflection wall is in the lower area however, from several prisms which are arranged on the outside of the cone wall and which preferably be surrounded by a reflective layer. This "prism wall" provides for the fact that in the lower area of the area-reducing element, light rays no longer meet the requirements normal reflection law (angle of incidence = angle of reflection) follow, but that the failure angle is smaller than the angle of incidence. This is due to light refraction, total reflection and reflect xion achieved on mirrored surfaces that work individually or in combination.

Für diese Prismenwand gibt es eine Ausgangs-Kennlinie, die die Intensitätsverteilung der Aus gangsstrahlung in Abhängigkeit vom Winkel zeigt. Diese Kennlinien haben oft ein Maximum, d. h. mit anderen Worten einen bevorzugten Ausgangswinkel. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht daher vor, daß die Materialen der Prismenwand so gewählt werden, daß das Maximum mög lichst stark ausgeprägt ist.There is an output characteristic for this prism wall, which is the intensity distribution of the off shows transmission radiation depending on the angle. These characteristics often have a maximum, i.e. H. in other words a preferred starting angle. A preferred embodiment sees therefore before that the materials of the prism wall are chosen so that the maximum possible is very pronounced.

Bei diesen Ausführungsformen ist die flächenreduzierende Wirkung meist etwas geringer. Bei Ausführungsformen, bei denen das Maximum des Ausgangswinkels unabhängig von dem Auf treffpunkt der Eingangsstrahlen auf dem Prisma ist, besitzen die Prismen, insbesondere wenn sie mehrfach durchlaufen werden, was bei der mehrfachen Anordnung an der Wand des opti schen Hauptkörpers der Fall ist, ein spezielles Ausstrahlverhalten, nämlich eine Ausstrahlung des Lichtes innerhalb eines relativ schmalen Ausgangswinkelbandes bzw. Ausgangswinkelinter valls. Zwar umfaßt dieses Ausgangswinkelband zunächst nicht die Richtung der optischen Hauptachse, dies kann jedoch mit Hilfe des oben beschriebenen Winkeltransformierers erreicht werden.In these embodiments, the area-reducing effect is usually somewhat less. at Embodiments in which the maximum of the output angle regardless of the up the prisms have the point of impact of the input rays on the prism, especially if they are run through several times, what with the multiple arrangement on the wall of the opti main body is the case, a special radiation behavior, namely a radiation of the light within a relatively narrow exit angle band or exit angle interval valls. This output angle band initially does not include the direction of the optical one Main axis, but this can be achieved with the help of the angular transformer described above become.

Die Ausgangsfläche des flächenreduzierenden Elements ist einem winkelreduzierenden Ele ment, z. B. einem Keil vorgelagert. Dieser Keil kann an einer Seite verspiegelt sein, wobei jedoch vorzugsweise zwischen der verspiegelten Fläche und der Außenseite des Keils ein Abstand vor gesehen ist, der sich in Einfallsrichtung vergrößert. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausfüh rungsform, bei der an zumindest einer Außenseite des keilförmigen Elements ein Prisma mit einer verspiegelten Außenfläche angeordnet ist, wobei zwischen der Außenfläche des keilförmi gen Elements und dem Prisma ein sich in Strahlrichtung vergrößernder Spalt besteht. Bei dieser Ausführungsform hat das Prisma unten eine Abschlußfläche, die in ein weiteres winkelreduzie rendes Element führen kann.The starting surface of the area-reducing element is an angle-reducing element ment, e.g. B. upstream of a wedge. This wedge can be mirrored on one side, however preferably a distance between the mirrored surface and the outside of the wedge is seen, which increases in the direction of incidence. However, an embodiment is particularly preferred tion form in which a prism with at least one outer side of the wedge-shaped element a mirrored outer surface is arranged, wherein between the outer surface of the wedge-shaped gene element and the prism there is a gap increasing in the beam direction. At this Embodiment, the prism has an end surface at the bottom, which further reduces the angle element.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind in dem keilförmigen Element Einlagerungen vorge sehen, die einen geringeren Brechungsindex haben als das keilförmige Element. Dies führt zu einer weiteren Reduzierung des Winkels zwischen den konzentrierten Lichtstrahlen und der opti schen Achse. Vorzugsweise wird auch an der Außenseite des Keils ein zusätzliches Prisma an geordnet. Ein bevorzugtes Konzentratorelement besteht daher in Strahlrichtung, das heißt von oben nach unten, aus den Elementen Eingangselement, flächenreduzierendes Element, winkel reduzierendes Element, Fokussiereinrichtung und gegebenenfalls Solarzelle. Das Konzentratorelement hat bedingt durch die einzelnen Elemente einen nicht homogenen Querschnitt. Während das Eingangselement einen relativ großen Querschnitt aufweist, wird durch das flächenreduzierende Element der Querschnitt in Strahlrichtung deutlich reduziert, bevor er durch das winkelreduzierende Element wieder leicht erweitert wird. Vorzugsweise werden mehrere Konzentratorelemente nebeneinander angeordnet. Da das fokussierende Element oftmals für achsnahe Strahlen, das heißt Strahlen in der Nähe der optischen Achse, besonders gute fokussierende Eigenschaften hat, kann das fokussierende Element, z. B. eine Linse, mit Vorteil auch mit einem Durchmesser größer als die Eingangsfläche des Aufnahmeelements gewählt werden, wenn benachbarte Konzentratorelemente in der Höhe versetzt angeordnet werden. Dies hat zur Folge, daß das fokussierende Element gerade in der Höhe angeordnet ist, in der das benachbarte Konzentratorelement sein flächenreduzierendes Element hat, d. h. seinen 'eingeschnürten' Bereich hat.In a preferred embodiment, inclusions are provided in the wedge-shaped element see that have a lower refractive index than the wedge-shaped element. this leads to a further reduction in the angle between the concentrated light rays and the opti axis. An additional prism is preferably also attached to the outside of the wedge orderly. A preferred concentrator element therefore exists in the beam direction, that is from top down, from the elements input element, area-reducing element, angle reducing element, focusing device and possibly solar cell. The Concentrator element has a non-homogeneous due to the individual elements Cross-section. While the input element has a relatively large cross section, through the area-reducing element, the cross-section in the beam direction is significantly reduced, before it is slightly expanded again by the angle-reducing element. Preferably several concentrator elements are arranged side by side. Because the focusing Element often for near-axis rays, i.e. rays near the optical axis, has particularly good focusing properties, the focusing element, e.g. Legs Lens, advantageously also with a diameter larger than the input surface of the Pickup element can be selected if adjacent concentrator elements in height staggered. As a result, the focusing element just in the Height is arranged at which the adjacent concentrator element reduces its area Has element, d. H. has its 'constricted' area.

Der Querschnitt eines Konzentratorelements kann in Aufsicht im Prinzip beliebig sein. Falls nur ein Konzentrator verwendet wird, ist jedoch in der Regel eine runde Querschnittsform vorzuzie hen. Werden hingegen mehrere Konzentratoren nebeneinander plaziert, so sind andere Formen, die die zur Verfügung stehende Fläche voll ausnutzen, zu bevorzugen. Besonders bevorzugt ist hier eine sechseckige Querschnittsform, so daß die einzelnen Konzentratorelemente in Form von 'Bienenwaben' nebeneinander angeordnet werden können.In principle, the cross section of a concentrator element can be arbitrary in supervision. If only a concentrator is used, however a round cross-sectional shape is usually preferred hen. If, on the other hand, several concentrators are placed next to one another, there are other forms, who take full advantage of the available space. Is particularly preferred here a hexagonal cross-sectional shape, so that the individual concentrator elements in shape of 'honeycombs' can be arranged side by side.

Für manche Anwendungsfälle kann es zudem von Vorteil sein, wenn mehrere Konzentratorele mente hintereinander angeordnet werden. Im Prinzip können beliebig viele Ebenen aus Konzen trator-Elementen hintereinander angeordnet werden.For some applications, it can also be advantageous if several concentrator elements elements can be arranged one behind the other. In principle, any number of levels can be made from concents trator elements can be arranged one behind the other.

In Strahlrichtung nach dem Konzentrator-Element ist vorzugsweise eine Sammellinse ange bracht, welche die Strahlen der einzelnen Elemente auf eine Brennfläche, die immer auch eine laterale Ausdehnung hat, konzentriert.A converging lens is preferably attached in the beam direction after the concentrator element brings the rays of the individual elements onto a focal surface, which is always a has lateral expansion, concentrated.

In dieser Brennfläche oder Brennebene kann eine weitere Schicht aus Konzentrator-Elementen eingefügt werden oder ein Aufnehmer für Lichtstrahlen, der seine Lichtstrahlen an eine Lichtlei tung weitergibt, um das Licht an einem anderen Ort, bevorzugt am Rande des Gehäuses, zu wandeln. In this focal plane or focal plane there can be another layer of concentrator elements to be inserted or a light beam transducer that connects its light beams to a light guide device passes on to the light at another location, preferably on the edge of the housing convert.

Wird eine weitere Schicht aus Konzentrator-Elementen eingefügt, so entfallen bei diesen Kon zentrator-Elementen die flächenreduzierenden Teile. Statt dessen wird lediglich eine Lichtfüh rung zum seitlichen Versetzen benötigt, da von der Brennfläche bzw. -ebene auf die Gesamtflä che ausgedehnt werden kann, um winkelreduzierende Elemente mit größerem Enddurchmesser einsetzen zu können, die dadurch einen kleineren Streuwinkel haben.If a further layer of concentrator elements is inserted, these cones are omitted the area-reducing parts. Instead, only a light guide tion required for lateral displacement, since from the focal surface or plane to the total surface che can be expanded to include angle-reducing elements with larger end diameters to be able to use, which have a smaller scattering angle.

Es versteht sich, daß das Licht in der Brennfläche gewandelt werden muß, sondern es auch weitergeleitet werden kann. Für die Weiterleitung kommen beispielsweise innenverspiegelte Hohlkörper in Frage. Gegebenenfalls können Summierelemente verwendet werden, die das Licht einzelner Leitungen zu einer gemeinsamen Leitung zusammenfassen, da hierdurch die Gesamtlänge der Leitungen reduziert werden kann. Optional kann das in den Leitungen geführte Licht vor der Stromwandlung noch einmal mit Konzentrator-Elemente aufgearbeitet werden.It goes without saying that the light in the focal surface must be changed, but so must it can be forwarded. For example, internally mirrored ones are used for forwarding Hollow body in question. If necessary, summing elements can be used that the Combine light from individual lines to form a common line, as a result of which the Total length of the lines can be reduced. Optionally, this can be done in the lines Light be processed again with concentrator elements before the current conversion.

Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, wenn vor dem Stromwandler zusätzlich eine Farbtrennung erfolgt, die das Gesamtlicht in seine Spektralfarben zerlegt. Dies kann z. B. durch eine spezielle Beschichtung eines optischen Körpers erfolgen, die an einzelnen Stellen Licht unterschiedlicher Wellenlänge transmittiert bzw. Licht anderer Wellenlänge in den opti schen Körper zurückreflektiert. Alternativ dazu könnte die Farbtrennung auch mit Hilfe eines Prismas mit großer Dispersion und entsprechend kleiner Abbe-Zahl erfolgen. Selbstverständlich ist auch eine gestaffelte Ausführungsform möglich.For some applications it can be an advantage if in front of the current transformer there is a color separation that breaks down the total light into its spectral colors. This can e.g. B. through a special coating of an optical body, which is done at individual points Light of different wavelengths transmitted or light of different wavelengths in the opti body reflected back. Alternatively, the color separation could also be carried out using a Prisms with a large dispersion and a correspondingly small Abbe number. Of course a staggered embodiment is also possible.

Die Farbtrennung hat den Vorteil, daß ein farbspezifisches Wandeln des Lichtes in Strom mög lich ist, so daß wellenlängen-optimierte Wandler eingesetzt werden können, die einen erheblich höheren Wirkungsgrad aufweisen. Durch geeignete Lichtführung können die wellenlängen spezifischen Wandler auch nebeneinander angeordnet werden.The color separation has the advantage that a color-specific conversion of the light into electricity is possible Lich, so that wavelength-optimized converters can be used, which is a significant have higher efficiency. The wavelengths can be adjusted by suitable light guidance specific transducers can also be arranged side by side.

Vor dem Wandler bzw. den Wandlern kann ein Streulicht-Sammelelement angeordnet werden, welches das Streulicht auf die Brennfläche bringt.A scattered light collecting element can be arranged in front of the converter or converters, which brings the scattered light onto the focal surface.

Die Konzentratorelemente sind vorzugsweise in Zellen untergebracht, deren Wände Bestanteile des Gehäuses sind. Das Gehäuse ist mit Vorteil flexibel aufgebaut, um die Unterkonstruktionen für das Gehäuse entfallen lassen zu können. Eine einfache Anheftung and den Untergrund bei spielsweise mit Erdnägeln ist ausreichend.The concentrator elements are preferably housed in cells, the walls of which are components of the housing. The housing is advantageously designed to be flexible around the substructures to be omitted for the housing. A simple attachment to the surface for example with pegs is sufficient.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der dazu gehörigen Figuren.Further advantages, features and possible uses of the present invention will become apparent clear from the following description of preferred embodiments and the related proper figures.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Konzentratorelements, Fig. 1 is a schematic view of a concentrator,

Fig. 2 bis 5 verschiedene Ausführungsformen von Prismenwänden, FIGS. 2 to 5 different embodiments of prism walls,

Fig. 6 eine bevorzugte Ausführungsform eines Prismas für eine Prismenwand, Fig. 6 shows a preferred embodiment of a prism for a prismatic wall,

Fig. 7 und 8 bevorzugte Ausführungsformen eines winkelreduzierenden Elements, FIGS. 7 and 8, preferred embodiments of an angle-reducing element,

Fig. 9 eine Ausführungsform eines Summier-Elements, Fig. 9 shows an embodiment of a summing element,

Fig. 10 eine schematische Darstellung des Strahlengangs durch einen Absolut wertwandler, Fig. 10 is a schematic illustration of the beam path by an absolute value converter,

Fig. 11 eine Ausführungsform einer "NULL-Winkel Unterdrückung" und Fig. 11 shows an embodiment of a "null angle suppressing" and

Fig. 12 verschiedene Anordnungsmöglichkeiten von mehreren Konzentratorele menten nebeneinander. Fig. 12 different arrangement options of several concentrator elements next to each other.

Die vorliegende Erfindung und damit auch die gezeigten Ausführungsformen dienen dazu, Ta geslicht, das heißt Diffus- und Direktstrahlung, auf vorzugsweise etwa 1/20 der Ausgangsfläche zu konzentrieren. Diese Konzentration soll möglichst ohne Hilfe von beweglichen Teilen erfolgen. Da der Konzentrator zur Energiegewinnung eingesetzt werden soll, sind oft große Flächen erfor derlich. Es ist daher eine Unterteilung der Gesamtfläche in einzelne Zellen von Vorteil, die je weils ein Konzentratorelement enthalten und deren Fläche ca. 100 cm² groß ist. In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Konzentratorelementes 1 gezeigt. Hierbei ist ein flächenreduzierendes Element 3 in Strahlrichtung, das heißt in der Fig. 1 von oben nach unten, einem winkelreduzie renden Element 4 vorgeschaltet. Vor den flächenreduzierenden Teil 3 ist hier noch ein Ein gangsbereich 2 vorgeschaltet. Das winkelreduzierende Element besteht hier aus einem keilför migen Element 4 mit einer reflektierenden Ummantelung 5. Im Anschluß an das keilförmige Ele ment 4 ist eine Sammellinse 7 angebracht, die das aus dem Konzentrator austretende Licht auf einen Bereich fokussieren kann.The present invention and thus also the embodiments shown serve to concentrate daylightly, that is to say diffuse and direct radiation, on preferably about 1/20 of the starting surface. This concentration should be done without the help of moving parts if possible. Since the concentrator is to be used for energy generation, large areas are often required. It is therefore advantageous to subdivide the total area into individual cells, each containing a concentrator element and the area of which is approximately 100 cm ² . In Fig. 1 the basic structure of a Konzentratorelementes 1 is shown. Here, a flächenreduzierendes element 3 is in the beam direction, that is, in Fig. 1 from top to bottom, a winkelreduzie leaders element 4 upstream. In front of the area-reducing part 3 , an input area 2 is connected upstream. The angle-reducing element here consists of a wedge-shaped element 4 with a reflective jacket 5 . Following the wedge-shaped element 4 , a converging lens 7 is attached, which can focus the light emerging from the concentrator onto one area.

Ein der Erfindung zugrunde liegender Gedanke ist, daß das an sich bereits bekannte keilförmige Element 4 für einen Konzentrator verwendet werden kann, wenn diesem ein flächenreduzieren des Element 3 vorgeschaltet wird. Der Aufbau eines flächenreduzierenden Elements wird bei spielhaft anhand einiger Ausführungsformen beschrieben.One idea on which the invention is based is that the wedge-shaped element 4 , which is known per se, can be used for a concentrator if the area 3 of the element 3 is reduced. The construction of an area-reducing element is described in a playful manner using some embodiments.

In den in den Fig. 2 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen besteht das flächenreduzieren de Element 3 im wesentlichen aus einem Konus aus einem optischen Material, z. B. aus massi vem Glas. Dieser Konus wird von einer speziellen Reflexionswand umgeben, welche die aus dem Konus kommenden Strahlen in den Konus zurückreflektiert. Wäre die Wand des Konus lediglich verspiegelt, so würde bei jeder Reflexion an einer Seitenwand der Winkel, den der Lichtstrahl mit der optischen Hauptachse 6 einschließt, vergrößert werden. Irgendwann erreicht der Winkel 90°, so daß die Richtung des Lichts umgekehrt wird. Die spezielle Reflexionswand, die zumindest im unteren Bereich des Konus an der Außenwand angeordnet ist, wird im folgen den auch Prismenwand genannt, da sie aus einer Reihe von Prismen besteht. Die Prismenwand dient dazu, den Winkel zwischen Lichtstrahl und optischer Hauptachse zu verkleinern. Im Ergeb nis führt dies dazu, daß an der speziellen Reflexionswand nicht das normale Reflexionsgesetz gilt, bei dem der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist, sondern der Ausfallswinkel um ei nen Um- bzw. Ablenkwinkel kleiner als der Einfallswinkel ist. Diese Umlenkeigenschaft der Pris menwand, die im folgenden noch detailliert beschrieben wird, funktioniert besonders gut für Lichtstrahlen, die einen relativ großen Winkel mit der optischen Hauptachse einschließen. Daher ist die spezielle Reflexionswand in der bevorzugten Ausführungsform nur im unteren Bereich des Konus angeordnet, während im oberen Bereich der Konus von einer verspiegelten Schicht um geben ist. Die verspiegelte Schicht führt, wie bereits erwähnt, dazu, daß bei jeder Reflexion an der Seitenwand der Winkel zwischen den Lichtstrahlen und der optischen Hauptachse 6 vergrö ßert wird.In the embodiments described in FIGS. 2 to 6, the area-reducing element 3 consists essentially of a cone made of an optical material, e.g. B. made of solid glass. This cone is surrounded by a special reflection wall, which reflects the rays coming out of the cone back into the cone. If the wall of the cone were only mirrored, the angle that the light beam encloses with the main optical axis 6 would be increased with each reflection on a side wall. At some point the angle reaches 90 ° so that the direction of the light is reversed. The special reflection wall, which is arranged at least in the lower area of the cone on the outer wall, is also called the prism wall in the following, since it consists of a series of prisms. The prism wall serves to reduce the angle between the light beam and the main optical axis. As a result, this means that the normal reflection law does not apply to the special reflection wall, in which the angle of incidence is equal to the angle of reflection, but the angle of reflection is smaller than the angle of incidence by a deflection or deflection angle. This deflection property of the prism menwand, which will be described in detail below, works particularly well for light rays that form a relatively large angle with the main optical axis. Therefore, the special reflection wall is arranged in the preferred embodiment only in the lower region of the cone, while in the upper region the cone is surrounded by a mirrored layer. The mirrored layer leads, as already mentioned, to the fact that the angle between the light beams and the main optical axis 6 is increased with each reflection on the side wall.

Beim Eintritt des Sonnenlichts in den Konus wird das Licht zur optischen Hauptachse hin gebro chen. Dies führt dazu, daß der maximale Winkel, den die in den Konus eingetretenen Lichtstrah len mit der optischen Hauptachse einschließen, nicht 90°, sondern arcsin(1/n₁) ist, wobei n₁ der Brechungsindex des Konusmaterials ist. Besteht beispielsweise der Konus aus Plexiglas, so beträgt der maximale Winkel, den das gerade in den Konus eingetretene Licht mit der optischen Hauptachse 6 einschließt, 42°. Dadurch, daß der Konus im oberen Bereich verspiegelt ist, wird erreicht, daß der maximale Winkel, den die Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse ein schließen, wieder vergrößert wird. Bei der Bemessung des verspiegelten Bereichs ist darauf zu achten, daß der maximale Winkel, den die Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse 6 ein schließen, maximal auf 90° erhöht wird. Sobald der maximale Winkel in den Bereich von 90° kommt, muß die verspiegelte Fläche enden, um Rückstrahleffekte zu vermeiden. Nun schließt sich nach unten die spezielle Reflexionswand an.When sunlight enters the cone, the light is broken towards the main optical axis. This leads to the fact that the maximum angle which the light rays entering the cone enclose with the main optical axis is not 90 ° but arcsin (1 / n ₁ ), where n _{1 is} the refractive index of the cone material. If, for example, the cone is made of plexiglass, the maximum angle that the light that has just entered the cone with the main optical axis 6 is 42 °. The fact that the cone is mirrored in the upper region ensures that the maximum angle which the light beams close with the main optical axis is increased again. When dimensioning the mirrored area, care must be taken that the maximum angle which the light beams make with the main optical axis 6 is increased to a maximum of 90 °. As soon as the maximum angle comes into the range of 90 °, the mirrored surface must end in order to avoid reflections. Now the special reflective wall connects to the bottom.

Eine Möglichkeit, durch die Anordnung von Prismen an der Außenwand des Konus den Winkel, den Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse 6 einschließen, zu verringern, besteht darin, die Totalreflexion beim Übergang vom optisch dichteren in das optisch dünnere Medium auszunut zen. Zur Verdeutlichung ist in Fig. 2 im linken Teilbild ein prinzipieller Aufbau einer Prismen wand gezeigt. Hier wurden Einschnitte in das Material eingebracht. Der Winkel, den die Ein schnitte mit der optischen Hauptachse einschließen, wird so gewählt, daß Lichtstrahlen, die mit der optischen Hauptachse 6 in etwa einen Winkel von 90° einschließen, an der Unterseite 13 des Einschnittes noch total reflektiert werden. Dies ist anhand eines beispielhaften Lichtstrahls L verdeutlicht. Dieser Lichtstrahl wird an der Unterseite 13 des Einschnittes total reflektiert, dann an die reflektierende Schicht 5 geleitet, von dieser reflektiert und kann dann die weiteren Ein schnitte nahezu ungehindert passieren. Deutlich zu erkennen ist, daß der reflektierte Strahl ei nen deutlich geringeren Winkel einschließt. Durch die gezeigte Anordnung ist es bereits für einen Großteil der Lichtstrahlen in dem Konus möglich, diese in der gewünschten Art und Weise zu reflektieren. Die in den beiden anderen Teilbildern der Fig. 2 gezeigten Weiterentwicklungen beruhen auf demselben Prinzip, sind jedoch optimiert worden, um den Anteil der in der ge wünschten Weise reflektierten Lichtstrahlen zu erhöhen. So sind in der optimierten Ausführungs form die Einschnitte sägezahnförmig ausgebildet, wie im mittleren Teilbild von Fig. 2 gezeigt. In die sägezahnartigen Einschnitte sind dann weitere Prismen 8 eingebracht worden. Hier sind nun zwei Übergänge vom optisch dichteren in das optisch dünnere Medium 13, 14 vorgesehen, an denen jeweils für manche Lichtstrahlen Totalreflexion auftritt. Der erste Übergang ist wieder die untere Einschnittsfläche 13. Hier werden im gezeigten Beispiel alle Lichtstrahlen reflektiert, die mit der optischen Hauptachse einen Winkel von < 78° einschließen. Lichtstrahlen, die einen Winkel zwischen 78° und 90° mit der optischen Hauptachse einschließen, können den Konus am Übergang 13 verlassen und gelangen in das äußere Prisma. Der obere Abschluß 14 des äuße ren Prismas ist jedoch so angeordnet, daß diese Lichtstrahlen hier total reflektiert und schließlich am seitlichen verspiegelten Abschluß 5 des Prismas gespiegelt werden. Die obere Kante 14 des Prismas 8 schließt mit der Hauptachse einen Winkel ein, der derart gewählt ist, daß Lichtstrah len, die mit der Hauptachse einen Winkel von 90° einschließen, an der Grenzfläche 14 von dem optisch dichteren in das optisch dünnere Material total reflektiert werden.One way to reduce the angle by enclosing prisms on the outer wall of the cone, the light rays with the main optical axis 6 , is to take advantage of the total reflection during the transition from the optically denser to the optically thinner medium. For clarification, a basic structure of a prism wall is shown in Fig. 2 in the left partial image. Here incisions were made in the material. The angle that the cuts include with the main optical axis is chosen so that light rays that enclose with the main optical axis 6 at about an angle of 90 ° are still totally reflected on the underside 13 of the incision. This is illustrated using an exemplary light beam L. This light beam is totally reflected on the underside 13 of the incision, then passed to the reflective layer 5 , reflected by this and can then pass through the other cuts almost unhindered. It can clearly be seen that the reflected beam includes a significantly smaller angle. The arrangement shown makes it possible for a large part of the light rays in the cone to reflect them in the desired manner. The further developments shown in the other two partial images of FIG. 2 are based on the same principle, but have been optimized in order to increase the proportion of light beams reflected in the desired manner. Thus, in the optimized embodiment, the incisions are sawtooth-shaped, as shown in the central drawing of FIG. 2. Further prisms 8 were then introduced into the sawtooth-like incisions. Here, two transitions from the optically denser to the optically thinner medium 13 , 14 are provided, on each of which total reflection occurs for some light rays. The first transition is again the lower incision surface 13 . In the example shown here, all light rays are reflected that form an angle of <78 ° with the main optical axis. Light rays, which enclose an angle between 78 ° and 90 ° with the main optical axis, can leave the cone at the transition 13 and reach the outer prism. However, the upper end 14 of the outer prism is arranged in such a way that these light beams are totally reflected here and are finally mirrored on the side mirrored end 5 of the prism. The upper edge 14 of the prism 8 includes an angle with the main axis, which is chosen such that light rays len, which form an angle of 90 ° with the main axis, are totally reflected at the interface 14 from the optically denser material into the optically thinner material become.

In der Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Prismenwand, die aber auf dem glei chen Grundprinzip wie die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform besteht. Wie im linken Teilbild von Fig. 3 zu sehen, geht auch diese Ausführungsform von einem Konus mit Einschnitten aus. Bei der Optimierung wird nun jedoch der gesamte eingeschnittene Bereich von dem eigentlichen Konus 3 getrennt, so daß dessen Außenfläche wieder weitgehend glatt ist. Es werden Prismen 8 angeordnet, deren obere Kante 14 mit der optischen Hauptachse wiederum einen Winkel ein schließt, der für die Totalreflexion von Lichtstrahlen, die mit der optischen Hauptachse einen Winkel von etwa 90° einschließen, gewährleistet.In Fig. 3 is an alternative embodiment of a prismatic wall, but which is on the sliding surfaces basic principle as the embodiment shown in Fig. 2. As can be seen in the left partial image of FIG. 3, this embodiment also starts from a cone with incisions. In the optimization, however, the entire incised area is now separated from the actual cone 3 , so that its outer surface is largely smooth again. Prisms 8 are arranged, the upper edge 14 of which, in turn, forms an angle with the main optical axis, which ensures the total reflection of light rays which form an angle of approximately 90 ° with the main optical axis.

In der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind zusätzlich in die Prismenwand Prismen aus einem Material eingesetzt, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Ko nus. Die eingebrachten Prismen sind mit der Bezugszahl 9 versehen. Diese Prismen aus Materi al mit niedrigem Brechungsindex dienen unter anderem dazu, an der reflektierten Schicht 5 re flektierte Lichtstrahlen, die ohne Vorhandensein des Prismas 9 mit einer dem Brechungsindex an der oberen Kante des Einschnitts 16 beim Übergang vom optisch dichteren in das optisch dün nere Material total reflektiert würden, sicher in den Konus zurückzuleiten. Dadurch, daß der Bre chungsindex des Prismas 9 kleiner als der Brechungsindex des Konus 3, aber größer als der Brechungsindex von Luft ist, wird der kritische Winkel, bei dem Totalreflexion an der Grenzfläche 16 auftritt, vergrößert, so daß die an der reflektierten Fläche 5 zurückreflektierten Lichtstrahlen weitestgehend das Prisma 9 passieren und in den Konus zurückgeleitet werden. Diese Prismen anordnung ist für Lichtstrahlen, die zunächst in das Prisma 8 eintreten von Vorteil. Weniger vor teilhaft ist diese Anordnung jedoch für Lichtstrahlen, die nicht über das Prisma 8 in das Prisma 9 mit geringerem Brechungsindex eintreten, sondern vom optischen Hauptkörper direkt in das Prisma 9 eintreten, Daher sieht eine verbesserte Ausführungsform vor, daß das Prisma mit ge genüber dem Prisma 8 verringertem Brechungsindex an der dem Hauptkörper zugewandten Seite eine beidseitig verspiegelte Fläche vorgesehen ist. Der optische Hauptkörper verläuft im Bereich dieser beidseitig verspiegelten Fläche vorzugsweise nicht konisch, sondern hat hier eine Außenfläche, die im wesentlichen parallel zur optischen Hauptachse verläuft, um unerwünschte Rückstrahlungen aufgrund des eingangs erwähnten "Trichter-Effekts" zu vermeiden. Es versteht sich, daß ein beidseitig verspiegeltes Element vorzugsweise in Kombination mit einem sich nicht verjüngenden Abschnitts des optischen Hauptkörpers auch bei den anderen Ausführungsformen verwendet werden kann.In the embodiment shown in FIG. 4, prisms made of a material whose refractive index is smaller than the refractive index of the cone are additionally inserted into the prism wall. The inserted prisms are provided with the reference number 9 . These prisms made of materi al with low refractive index serve, among other things, re reflected light rays on the reflected layer 5 , which without the presence of the prism 9 with a refractive index at the upper edge of the incision 16 during the transition from the optically denser to the optically thinner material would be totally reflected to safely return to the cone. The fact that the refractive index of the prism 9 is smaller than the refractive index of the cone 3 , but larger than the refractive index of air, increases the critical angle at which total reflection occurs at the interface 16 , so that the reflected surface 5 Retroreflected light rays largely pass through prism 9 and are returned to the cone. This prism arrangement is advantageous for light rays that first enter the prism 8 . Less front part by way of this arrangement, however, for light rays do not enter via the prism 8 in the prism 9 with a lower refractive index, but occur from the optical main body directly into the prism 9, therefore provides an improved embodiment provides that the prism with ge genüber the Prism 8 reduced refractive index is provided on the side facing the main body, a mirrored surface on both sides. The optical main body preferably does not run conically in the region of this surface mirrored on both sides, but here has an outer surface which runs essentially parallel to the optical main axis in order to avoid undesired reflections due to the "funnel effect" mentioned at the beginning. It goes without saying that an element mirrored on both sides, preferably in combination with a non-tapering section of the optical main body, can also be used in the other embodiments.

In der Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Prismenwand gezeigt. Hier werden die Lichtstrahlen in den Prismen geführt, da sich deren Querschnitt ständig vergrößert. In dem rech ten Teilbild von Fig. 5 ist links ein Teil des Konus 3 zu sehen. Rechts sind die spitz zulaufenden Prismen. Die Lichtstrahlen, die den Konus 3 an seiner Außenseite verlassen, treten in die Pris men 8 ein. Da das Prisma 8 in Strahlrichtung breiter wird, werden die Lichtstrahlen quasi "einge fangen". Der Lichtstrahl kann das Prisma daher zunächst nicht verlassen und wird, ähnlich dem Lichtführungsprinzip in Glasfasern, bis zum Ende des Prismas geführt. Aufgrund der gekrümm ten Anordnung des Prismas 8 wird der Winkel, den der Lichtstrahl mit der optischen Hauptachse einschließt, verkleinert. Am Ende des Prismas 8 treten die Lichtstrahlen aus dem Prisma aus und werden an der Verspiegelung 5 reflektiert. Beim Durchlaufen der Prismen 8 in der umge kehrten Richtung werden die Lichtstrahlen bei jedem Durchlauf in Richtung der optischen Haupt achse gebeugt. Wie in der gezeigten Ausführungsform verdeutlicht, kann dann, wenn der Öff nungswinkel des Prismenkörpers 8 groß genug ist, die Achse des Prismenkörpers 'gebogen' werden. Es können daher mehrere "Knickstellen" 17 vorgesehen werden. Ähnlich dem Lichtlei tungsprinzip in Glasfasern können die Lichtstrahlen das Prisma 8 dennoch nicht verlassen.In FIG. 5 another embodiment of a prismatic wall is shown. Here the light rays are guided in the prisms because their cross-section is constantly increasing. In the arithmetic th field of Fig. 5 to the left can be seen the cone 3 a part. On the right are the pointed prisms. The light rays leaving the cone 3 on its outside enter the prisms 8 . Since the prism 8 widens in the beam direction, the light rays are virtually "caught". The light beam can therefore initially not leave the prism and is guided to the end of the prism, similar to the light guiding principle in glass fibers. Due to the curved arrangement of the prism 8 , the angle that the light beam encloses with the main optical axis is reduced. At the end of the prism 8 , the light rays emerge from the prism and are reflected on the mirror 5 . When passing through the prisms 8 in the reverse direction, the light beams are diffracted in the direction of the main optical axis with each pass. As illustrated in the embodiment shown, if the opening angle of the prism body 8 is large enough, the axis of the prism body can be 'bent'. Several "kinks" 17 can therefore be provided. Similar to the principle of light conduction in glass fibers, the light rays cannot leave the prism 8 .

An dieser Stelle soll erwähnt werden, daß die Prismen 8 nicht unbedingt so angeordnet sein müssen, daß ihre Spitze bzw. Eingangsspitze 15 dem Konus 3 zugewandt ist. Sie könnten vielmehr auch der Verspiegelung 5 zugewandt sein, so daß die Lichtstrahlen zunächst, wenn sie aus dem Konus 3 austreten, mehrere Prismen 8 durchlaufen und dabei "nach unten", das heißt in Richtung der optischen Hauptachse, gebeugt werden und erst nach der Reflexion an der Ver spiegelung 5 in einem Prisma 8 "eingefangen" werden und dann in Richtung des Konus 3 ge führt werden.At this point it should be mentioned that the prisms 8 do not necessarily have to be arranged such that their tip or input tip 15 faces the cone 3 . Rather, they could also be facing the mirroring 5 , so that the light beams first pass through a plurality of prisms 8 when they emerge from the cone 3 and are thereby "downward", that is to say in the direction of the main optical axis, and only after the reflection be "captured" at the mirroring 5 in a prism 8 and then leads in the direction of the cone 3 .

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform von Prismen gezeigt, die an der Außenfläche eines Konus angeordnet werden können. Das Prisma 8 hat eine verspiegelte Außenfläche 5. Die ver spiegelte Außenfläche verläuft im wesentlichen parallel zur optischen Hauptachse des Konus. Beispielhaft ist ein Lichtstrahl L gezeigt, der aus dem Konus 3 austritt und auf die erste Fläche des Prismas 8 auftritt. Er wird dort zum Lot hin gebrochen und an der Verspiegelung 5 zurückge spiegelt. Beim Austreten aus dem Prisma 8 wird er vom Lot weg gebrochen, so daß der reflek tierte Lichtstrahl einen kleineren Winkel mit der optischen Hauptachse einschließt als der ur sprünglich aus dem Konus 3 ausgetretene Lichtstrahl L. Prinzipiell könnte daher eine spezielle Reflexionswand mit Hilfe von einseitig verspiegelten Dreiecksprismen verwirklicht werden. Diese haben jedoch den Nachteil, daß dann, wenn die von der Verspiegelung 5 reflektierte Wand auf die untere Fläche 16 des Prismas 8 trifft, die Lichtstrahlen total reflektiert werden und die Rich tung umkehren. Aus diesem Grund weist das in der Fig. 6 gezeigte Prisma 8 ein weiteres spitzwinkliges Prisma 9 auf, das aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex ist. Dieses weitere Prisma 9 ist vorzugsweise so angeordnet, daß es mit einer Spitze im wesentlichen nach unten zeigt. Die Spitze ist mit Vorteil etwas in Richtung des optischen Hauptkörpers geneigt, wie in der Figur zu erkennen. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Prisma 8 aus Polycarbonat mit einem Brechungsindex von 1,59 und das Prisma 9 aus einem Material mit einem Brechungsindex von 1,34. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß Lichtstrah len aus dem Prisma 8 leicht in das zusätzliche Prisma 9 eindringen können, da der Grenzwinkel für die Totalreflexion aus dem Verhältnis der Brechungsindizes der benachbarten optischen Hauptkörper gebildet wird. FIG. 6 shows a further embodiment of prisms which can be arranged on the outer surface of a cone. The prism 8 has a mirrored outer surface 5 . The ver mirrored outer surface runs substantially parallel to the main optical axis of the cone. By way of example, a light beam L is shown which emerges from the cone 3 and occurs on the first surface of the prism 8 . It is broken there to the plumb line and reflected back on the mirror 5 . When it emerges from the prism 8 , it is broken away from the plumb line, so that the reflected light beam encloses a smaller angle with the main optical axis than the light beam L which originally emerged from the cone 3. In principle, therefore, a special reflection wall could be mirrored with the help of one-sided Triangular prisms can be realized. However, these have the disadvantage that when the wall reflected by the mirror 5 strikes the lower surface 16 of the prism 8 , the light rays are totally reflected and the direction reverse. For this reason, the prism 8 shown in FIG. 6 has a further acute-angled prism 9 , which is made of a material with a low refractive index. This further prism 9 is preferably arranged so that it points substantially downward with a tip. The tip is advantageously inclined somewhat in the direction of the main optical body, as can be seen in the figure. In a particularly preferred embodiment, the prism 8 is made of polycarbonate with a refractive index of 1.59 and the prism 9 is made of a material with a refractive index of 1.34. This arrangement has the advantage that light rays from the prism 8 can easily penetrate into the additional prism 9 , since the critical angle for the total reflection is formed from the ratio of the refractive indices of the adjacent main optical bodies.

In den Fig. 7 und 8 sind zwei Ausführungsformen von winkelreduzierenden Elementen dar gestellt. Die in der Fig. 7 gezeigte Ausführungsform zeigt ein winkelreduzierendes Element, das im wesentlichen aus einem keilförmigen Element 4 besteht. Außerhalb des keilförmigen Ele ments 4 ist jedoch eine Verspiegelung 5 vorgesehen, an deren Innenseite ein schmales Prisma 12 vorangestellt ist. Zwischen dem Prisma 12 und dem keilförmigen Element 4 besteht ein klei ner Luftspalt. Der in der Fig. 7 als Beispiel gezeigte Lichtstrahl wird zunächst an der abstrah lenden Seitenfläche des keilförmigen Elements 4 total reflektiert. Wenn die Rückseite verspiegelt wäre, wäre der Lichtstrahl nach Reflexion an der abstrahlenden Seite um den doppelten Keilwin kel größer. Ist auch die Rückseite des Keils offen, kann der Lichtstrahl den Keil verlassen, wenn der Winkel, den der Lichtstrahl mit dem Einfallslot einschließt, größer als der Totalreflexionswin kel ist. Im Idealfall wird der Lichtstrahl durch den schräg gestellten Spiegel fast parallel zur Keil rückwand reflektiert, um dort mit dem Winkel α_{Rnückeintritt} = arcsin (1/n₁) wieder in das Prisma einzutreten. Daraus folgt, daß der größte Winkel, der an der abstrahlenden Seitenfläche auftre ten kann, sich aus dem Totalreflexionswinkel und dem Keilwinkel zusammensetzt. Dadurch ist der Winkelbereich der austretenden Strahlen reduziert worden.In Figs. 7 and 8 show two embodiments of angle-reducing elements are provided are. The embodiment shown in FIG. 7 shows an angle-reducing element which essentially consists of a wedge-shaped element 4 . Outside of the wedge-shaped element 4 , however, a mirroring 5 is provided, on the inside of which a narrow prism 12 is placed. There is a small air gap between the prism 12 and the wedge-shaped element 4 . The light beam shown as an example in FIG. 7 is first totally reflected on the radiating side surface of the wedge-shaped element 4 . If the back were mirrored, the light beam would be larger by twice the wedge angle after reflection on the emitting side. If the back of the wedge is also open, the light beam can leave the wedge if the angle that the light beam encloses with the incident perpendicular is greater than the total reflection angle. Ideally, the light beam is reflected by the inclined mirror almost parallel to the back wall of the wedge in order to re-enter the prism with the angle α _return = arcsin (1 / n ₁ ). It follows that the largest angle that can occur on the radiating side surface is composed of the total reflection angle and the wedge angle. This has reduced the angular range of the emerging rays.

Eine weitere Ausführungsform des winkelreduzierenden Elements 4 ist in der Fig. 8 gezeigt. Hier sind in den Keil 4 Körper 10 mit anderem Brechungsindex eingebracht. Der Winkel, den die aus dem Keil austretenden Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einschließen, kann durch die Lichtbrechung an den eingelagerten Teilen vor der Austrittsfläche verkleinert werden. Dies führt insgesamt dazu, daß der von den austretenden Lichtstrahlen aufgespannte Winkelbereich, den die austretenden Lichtstrahlen mit der optischen Hauptachse einschließen, verkleinert wird. Mit anderen Worten tritt das Licht quasi parallel aus dem winkelreduzierenden Element aus. In der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform ist zusätzlich ein weiteres Prisma 11 direkt an der Au ßenseite des keilförmigen Elements angebracht. Zwar führt dieses zusätzliche Prisma 11 dazu, daß die austretenden Lichtstrahlen im Durchschnitt wieder einen etwas größeren Winkel mit der optischen Hauptachse einschließen, zugleich wird jedoch die Winkelstreuung reduziert. Mit an deren Worten verlaufen die austretenden Lichtstrahlen im wesentlichen quasi parallel, wenn auch nicht parallel zur optischen Hauptachse. Dies kann jedoch durch die umgebene Spiegel wand aufgefangen werden. Zur Vor-Fokussierung 7 bei reduzierter Lichtaustrittsfläche (siehe Fig. 12) kann ein übliches Element verwendet werden.Another embodiment of the angle-reducing element 4 is shown in FIG. 8. Here, bodies 10 with a different refractive index are introduced into the wedge 4 . The angle that the light rays emerging from the wedge enclose with the main optical axis can be reduced by the refraction of light on the embedded parts in front of the exit surface. Overall, this leads to a reduction in the angular range spanned by the emerging light rays, which the emerging light rays enclose with the main optical axis. In other words, the light emerges from the angle-reducing element virtually in parallel. In the embodiment shown in FIG. 8, a further prism 11 is additionally attached directly to the outside of the wedge-shaped element. Although this additional prism 11 leads to the fact that the emerging light beams again enclose a somewhat larger angle with the main optical axis, the angular scatter is reduced at the same time. With their words, the emerging light rays run essentially parallel, if not parallel to the main optical axis. However, this can be compensated for by the surrounding mirror wall. A common element can be used for pre-focusing 7 with a reduced light exit area (see FIG. 12).

In Fig. 9 ist ein Summier-Element gezeigt, welches vorzugsweise in Kombination mit den Kon zentratorelementen eingesetzt wird. Strahlen können sowohl in der Figur von oben kommend über die totalreflektierende Fläche 20 als auch in der Figur von rechts kommend durch Trans mission an der Fläche 20 zur Weiterleitung 21 geführt werden.In Fig. 9, a summing element is shown, which is preferably used in combination with the concentrator elements. Rays can come in the figure coming from above over the total reflecting surface 20 and in the figure coming from the right by trans mission on the surface 20 to the relay 21 .

In Fig. 10 ist der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise eines Absolutwert-Wandlers ge zeigt, wie er in Kombination mit den Konzentratorelementen verwendet werden kann.In Fig. 10, the basic structure and operation of an absolute value converter shows ge how it can be used in combination with the concentrator elements.

Der Absolutwert-Wandler 22 besteht im wesentlichen aus einem Prisma mit in etwa rhom busförmigen Querschnitt, dessen eine Seitenfläche 23 verspiegelt ist. Die in der Zeichnung von links kommenden und mit der Bezugszahl 29b versehenen Lichtstrahlen werden an den beiden Grenzflächen des Prisma gebrochen. Falls der effektive brechende Winkel ungleich Null ist, d. h. die beiden Seitenflächen (links oben und rechts unten in Fig. 10), welche von den von links kommenden Lichtstrahlen 29b durchlaufen werden, nicht parallel sind, werden diese Strahlen um einen bestimmten (vom effektiven brechenden Winkel abhängenden) Betrag abgelenkt.The absolute value converter 22 consists essentially of a prism with rhom roughly bus shaped cross section whose one side surface is mirrored 23rd The b in the drawing, coming from the left, and with the reference numeral 29 provided light rays are refracted at the two boundary surfaces of the prism. If the effective refractive angle is not equal to zero, ie the two side surfaces (top left and bottom right in FIG. 10), which are traversed by the light rays 29 b coming from the left, are not parallel, these rays become a certain (from the effective deflecting angle depending) amount distracted.

Die in der Zeichnung (siehe Fig. 10) von rechts kommenden und mit der Bezugszahl 29a ver sehenen Lichtstrahlen treten in das Prisma 22 von rechts oben ein und werden an der ver spiegelten Fläche 23 (links unten in Fig. 10) reflektiert, so daß sie den Absolutwert-Wandler bzw. das Prisma 22 ebenfalls an der Fläche rechts unten verlassen.The coming in the drawing (see Fig. 10) from the right and with the reference number 29 a ver seen light rays enter the prism 22 from the top right and are reflected on the ver mirrored surface 23 (bottom left in Fig. 10), so that they also leave the absolute value converter or the prism 22 on the surface at the bottom right.

Während die einfallenden Lichtstrahlen einen Öffnungswinkel von 180° haben können, sind die ausfallenden Lichtstrahlen auf einen Öffnungswinkel von 90° begrenzt.While the incident light rays can have an opening angle of 180 °, they are light rays are limited to an opening angle of 90 °.

Bei der Realisierung eines statischen Konzentrators mit Absolutwert-Wandlern werden die Pris men vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Die Ringe weisen dann einen Querschnitt auf, der im wesentlichen dem in Fig. 10 gezeigten entspricht. Die verspiegelte Fläche wird vorzugsweise so angeordnet, daß sie an der radial weiter außen liegenden Seite des im wesentlichen ringför migen Prismas angebracht ist.When realizing a static concentrator with absolute value converters, the prisms are preferably ring-shaped. The rings then have a cross section which essentially corresponds to that shown in FIG. 10. The mirrored surface is preferably arranged so that it is attached to the radially outer side of the substantially ring-shaped prism.

Der statische Konzentrator besteht in diesem Fall aus mehreren im wesentlichen konzentrisch angeordneten in etwa ringförmigen Absolutwert-Wandlern. Auch dieser Konzentrator kann für bestimmte Anwendungsfällen mit optischen Körpern oder Konzentrationskörpern kombiniert werden, um den Konzentrationsfaktor weiter zu erhöhen.The static concentrator in this case consists of several essentially concentric arranged in approximately circular absolute value converters. This concentrator can also be used for combined certain applications with optical bodies or concentration bodies to further increase the concentration factor.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Absolutwert-Wandler besteht in der Verwendung als optischer Addierer. So kann beispielsweise das in benachbarten Konzentratoren gesammelte Licht mit Hilfe von Absolutwert-Wandlern derart umgeleitet werden, daß benachbarte Konzentra toren das einfallende Licht auf eine gemeinsame (größere) Solarzelle leiten. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Solarzellen pro Fläche weiter reduziert werden.Another application of the absolute value converter is the use as optical adder. For example, that collected in neighboring concentrators Light is diverted using absolute value converters in such a way that neighboring concentra the incoming light onto a common (larger) solar cell. This allows the Number of solar cells required per area can be further reduced.

Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform einer Null-Winkel Unterdrückung. Die Null-Winkel Unter drückung dient zur Reduzierung der Baulänge. Dazu werden im winkelreduzierenden Element vor dem eigentlichen Keil Einlagerungen oder Hohlkörper 24 eingebracht, die Strahlen, die mit der optischen Hauptachse einen kleinen Winkel einschließen, von der optischen Hauptachse weggebrochen. Da Strahlen, die gerade in den Keil eindringen, erst durch Totalreflexion an den konisch zulaufenden Wänden bis zum Totalreflexionswinkel erhöht werden müssen, kann man dies auch bereits vorher durch ein eingefügtes, optisches Element erreichen. Mit Vorteil kommen hier spitzwinklige Hohlraumprismen 24 zur Anwendung, die mit der Spitze nach oben angeordnet sind. Dadurch werden die nahezu senkrecht einfallenden Strahlen gezielt gebrochen. Es ist daher möglich, die Spitze des Keils des winkelreduzierenden Elements wegfallen zu lassen, was wiederum fertigungstechnisch von Vorteil ist. Unter einem Hohlraumprisma 24 wird ein innerhalb eines optischen Körpers angeordnetes Prisma mit kleinerem Brechungsindex verstanden. Vor zugsweise bestehen diese Prismen lediglich aus einem prismenförmigen Lufteinschluß (Hohl raum-Prisma). Fig. 11 shows an embodiment of a zero-angle shows suppression. The zero angle suppression is used to reduce the overall length. For this purpose, inclusions or hollow bodies 24 are introduced in the angle-reducing element in front of the actual wedge, and the rays, which enclose a small angle with the main optical axis, are broken away from the main optical axis. Since rays that are entering the wedge only have to be increased to the total reflection angle by total reflection on the tapered walls, this can also be achieved beforehand by an inserted optical element. Advantageously, angled cavity prisms 24 are used here, which are arranged with the tip upwards. As a result, the almost vertically incident rays are specifically broken. It is therefore possible to omit the tip of the wedge of the angle-reducing element, which in turn is advantageous in terms of production technology. A cavity prism 24 is understood to be a prism with a smaller refractive index arranged inside an optical body. Before preferably these prisms consist only of a prismatic air inclusion (cavity prism).

Auch im flächenreduzierenden Element können solche Hohlraum-Prismen mit Erfolg eingesetzt werden, wobei hier die Spitze jedoch vorzugsweise nach unten zeigt. Nach oben haben diese Prismen einen Übergang zum optischen Körper aus einem Material mit kleinerem Brechungsin dex, so daß dort keine Totalreflexion mehr stattfinden kann. Diese Prismen unterstützen die Wir kung der seitlich angebrachten Prismen.Such cavity prisms can also be used successfully in the area-reducing element , but here the tip preferably points downwards. They have upwards Prisms a transition to the optical body from a material with a smaller refractive index dex, so that total reflection can no longer take place there. These prisms support us the side prisms.

Zusätzlich kann ein Konzentrationskörper angeordnet werden, der beispielsweise als radialsym metrisches, außen verspiegeltes Konzentrationsprisma ausgebildet sein kann. Das Prisma weist in seinem Zentrum eine Durchgangsöffnung auf, durch die Lichtstrahlen senkrecht passieren können.In addition, a concentration body can be arranged, for example as a radial sym Metric, externally mirrored concentration prism can be formed. The prism points at its center there is a through opening through which light rays pass perpendicularly can.

In Fig. 12 sind verschiedene Anordnungsmöglichkeiten von Konzentratorelementen gezeigt. Im linken Teilbild ist dargestellt, daß die einzelnen Konzentratorelemente nebeneinander angeord net werden. Dabei fällt auf, daß die Konzentratorelemente 1 lediglich im Eingangsbereich eine maximale Querschnittsbreite D haben. Im Bereich des flächenreduzierenden Elements ist der maximale Querschnitt deutlich reduziert. Dies ermöglicht eine Anordnung, wie sie rechts in Fig. 9 gezeigt ist. Hier sind benachbarte Konzentratorelemente in der Höhe versetzt, so daß die Fo kussiereinrichtung, die hier in Form einer Linse vorliegt, einen Querschnitt D₂ haben kann, der deutlich größer als der maximale Querschnitt D des Aufnahmeelements ist.Different arrangement possibilities of concentrator elements are shown in FIG . The left part of the figure shows that the individual concentrator elements are arranged side by side. It is striking that the concentrator elements 1 have a maximum cross-sectional width D only in the entrance area. The maximum cross-section is significantly reduced in the area of the area-reducing element. This enables an arrangement as shown on the right in FIG. 9. Here, adjacent concentrator elements are offset in height, so that the fo kussiereinrichtung, which is in the form of a lens here, can have a cross section D ₂ that is significantly larger than the maximum cross section D of the receiving element.

Dies wird dadurch möglich, daß das Fokussierelement in den skalierten Bereich des Konzentra torelements 1 angeordnet ist.This is possible because the focusing element is arranged in the scaled area of the Konzentra gate element 1 .

Durch den erfindungsgemäßen Konzentrator ist es möglich, Licht mit einem Öffnungswinkel von größer als 20°, vorzugsweise größer als 40°, besonders bevorzugt von größer als 100° zu kon zentrierenThe concentrator according to the invention makes it possible to emit light with an opening angle of greater than 20 °, preferably greater than 40 °, particularly preferably greater than 100 ° center

Claims

1. concentrator for concentrating the incident light to a predetermined area or a predetermined volume having an entrance surface and an exit surface, as characterized by that a flächenreduzierendes element (3) is connected upstream of a winkelreduzie leaders element (4).

2. Concentrator according to claim 1, characterized in that the area-reducing element ( 3 ) has an optical main body, preferably in the form of a truncated cone or a truncated pyramid, the cross section of which tapers ver in the beam direction.

3. Concentrator according to claim 2, characterized in that at least one prism ( 8 ) is arranged on the side walls of the optical body ( 3 ), the refractive index n _{1 of} the prism being greater than 1.

4. Concentrator according to claim 3, characterized in that the at least one prism ( 8 ) is integrally formed with the main optical body ( 3 ).

5. Concentrator according to claim 3, characterized in that the at least one prism ( 8 ) is arranged such that there is a gap between the optical main body ( 3 ) and the prism ( 8 ).

6. Concentrator according to one of claims 3 to 5, characterized in that the at least one prism ( 8 ) is arranged so that an input tip ( 15 ) of the prism ( 8 ) with an acute angle ϕ of less than 90 ° along the Optical path is arranged closer to the entrance of the concentrator than the part of the prism ( 8 ) facing away from the tip.

7. Concentrator according to one of claims 3 to 6, characterized in that the side walls of the area-reducing element ( 3 ) are mirrored, with at least one prism ( 8 ) between the optical main body ( 3 ) and mirroring ( 5 ) be found ,

8. Concentrator according to one of claims 3 to 7, characterized in that the at least one prism is arranged in such a way that a side surface of the prism with the op table main axis an angle of
includes, where n _{0 is} the refractive index of the medium surrounding the side surface and n _{1 is} the refractive index of the prism.

9. Concentrator according to one of claims 6 to 8, characterized in that a second prism ( 9 ) is arranged on a side facing away from the input tip of at least one prism ( 8 ), the second prism having a refractive index n ₂ which is smaller than that Refractive index of the at least one prism and wherein the second prism is preferably arranged in such a way that a tip points approximately downwards.

10. Concentrator according to one of claims 6 to 9, characterized in that approximately applies to the refractive angle ϕ of at least one prism:
where n _{1 is} the refractive index of the prism, n _{0 is} the refractive index of the medium surrounding the prism essentially in the irradiation area, ϕ _max the maximum angular deviation of the light emerging from the main optical body from the main optical axis and ϕ _balance the angular deviation, which is the same starting angle how a starting angle is.

11. Concentrator according to one of claims 6 to 10, characterized in that at least one prism has two side surfaces which together form the entrance angle, one side surface being mirrored and for the refractive entrance angle ϕ:
where n _{1 is} the refractive index of the prism and n _{0 is} the refractive index of the medium essentially surrounding the prism in the irradiation area.

12. Concentrator according to one of claims 1 to 11, characterized in that the one corridor surface of the area-reducing element is not even.

13. Concentrator according to one of claims 1 to 12, characterized in that the area-reducing element is preceded by a receiving element ( 2 ) substantially in the form of optical bodies narrowing in the beam direction.

14. Concentrator according to one of claims 1 to 13, characterized in that the angle-reducing element is a wedge ( 4 ) or a conical element.

15. Concentrator according to claim 14, characterized in that the wedge ( 4 ) is mirrored on one side ver.

16. Concentrator according to claim 15, characterized in that the mirroring of the Keils is separated from the wedge and preferably the mirroring is not parallel to the upper surface of the wedge runs.

17. A concentrator according to claim 16, characterized in that at least one prism ( 12 ) is arranged in front of the mirrored wall ( 5 ) of the wedge ( 4 ).

18. Concentrator according to one of claims 14 to 17, characterized in that the wedge has enclosed prisms with a reduced refractive index, preferably prism-shaped cavities ( 10 ), the tip of which preferably points upwards.