HK6897A - Refracting solar energy concentrator and thin flexible fresnel lens - Google Patents

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HK6897A
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Roger H. Appeldorn
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Minnesota Mining And Manufacturing Company
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Claims (17)

  1. Dünne, sehr flexible Linse, die aus einer Filmfläche (24) besteht, die auf einer Seite eine lineare Anordnung diskreter, optisch aktiver, prismatischer Lichtrippen und Rillen aufweist, wobei sich die Form der prismatischen Lichrippen und Rillen auf wie bei einer Fresnel-Linse ändert, so daß einfallende Sonnenstrahlung auf einen Zielbereich fokussiert wird, wenn die Filmfläche auf einem Rahmen lagert, so daß sie mindestens entlang einer zu der linearen Anordnung von prismatischen Lichtrippen und Rillen parallelen Linie gefaltet wird, so daß die momentan einfallende Sonnenstrahlung nicht senkrecht zu der Filmfläche ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filmfläche (24) so gestaltet ist, daß bezüglich dem Licht, das an dem äußeren Rand der Filmfläche relativ zu der Achse der Rippen und Rillen auf die Filmfläche auftrifft, der Einfallswinkel (I₁′) auf der Filmfläche (24) im rechten Winkel zu einer Oberfläche (62), durch die das Licht einfällt, und der Austrittswinkel (I₂′) zu einer Senkrechten zu der Oberfläche (80), durch die das Licht austritt, im wesentlichen gleich groß sind, so daß die Fokussierung der einfallenden Sonnenstrahlung durch die Linse in bezug auf eine Krümmung der Filmfläche weniger empfindlich ist.
  2. Linse nach Anspruch 1, wobei die Filmfläche auf der Oberfläche, die zu der Seite mit der linearen Anordnung diskreter, optisch aktiver, prismatischer Lichtrippen und Rillen entgegengesetzt ist, eine glatte Oberfläche (30) aufweist, wobei die lineare Anordnung prismatischer Rippen und Rillen einen Abschnitt (60) einer lichtbrechenden Einrichtung (32) darstellt, welche lichtbrechende Oberflächen (70, 80) und angrenzende, inaktive Verbindungsoberflächen (72) definiert.
  3. Linse nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Filmfläche (24) in mindestens zwei aneinander angrenzende Abschnitte (60, 62, 64, 66) unterteilt ist, wobei jeder der Abschnitte eine eigene, separate lichtbrechende Einrichtung (32) aufweist.
  4. Linse nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die aneinander angrenzenden Abschnitte (60, 62, 64 und 66) durch Zwischenbereiche (28 und 28′) der Filmfläche miteinander verbunden sind, wodurch die flexible Filmfläche entlang der genannten Zwischenbereiche (28 und 28′) zu dem Zielbereich (26) gefaltet werden kann, und wobei die optische Ausbeute durch die Verzerrung des Films nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
  5. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Filmfläche (24) aus einer schlaffen, flexiblen Lage eines Polymerstoffes gestaltet ist.
  6. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (24) rechteckig und um eine Längsachse symmetrisch ist.
  7. Linse nach Anspruch 2 oder nach einem an den Anspruch 2 anhängigen Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Filmfläche (24) transversal in vier aneinandergrenzende Abschnitte (60, 62, 64 und 66) unterteilt ist, wobei die angrenzenden Abschnitte (60 und 62) an jedem Rand so angeordnet sind, daß sie mit der auf der glatten Oberfläche (30) auftreffenden Sonnenstrahlung einen Einfallswinkel von 35° bis 60° aufweisen, und wobei die inneren Abschnitte (64 und 66) an jeder angrenzenden Seite der Längsachse so angeordnet sind, daß sie mit der Sonnenstrahlung einen Einfallswinkel von 5° bis 20° aufweisen.
  8. Linse nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Winkel der optisch aktiven Oberflächen (80) der lichtbrechenden Einrichtung (32) in den Abschnitten (60, 62) neben den Rändern der Linsen zwischen 37° und 68° liegt, und wobei die Winkel der aktiven Oberflächen (70) der lichtbrechenden Einrichtung (32) an den angrenzenden inneren Abschnitten (64 und 66) zwischen 0° und 42° liegen.
  9. Linse nach Anspruch 2 oder nach einem an den Anspruch 2 anhängigen Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die einfallende Sonnenstrahlung zuerst auf der glatten Oberfläche (30) der Filmfläche (24) auftrifft.
  10. Linse nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Filmfläche (24) einen Abschnitt (60, 62, 64 oder 66) umfaßt, der über dem Zielbereich (26) in einem Winkel zu der einfallenden Sonnenstrahlung geneigt ist.
  11. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die optische Ausbeute des Films durch die Verzerrung des Films nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
  12. Einrichtung zur Konzentration von Sonnenenergie, mit einem Zielbereich (26) und einer Linse nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Linse (24) um eine Filmfläche eines polymeren Films mit einer glatten Oberfläche (30) und einer entgegengesetzten Oberfläche (34) handelt, die mit der genannten linearen Anordnung diskreter, optisch aktiver, prismatischer Lichtrippen und Rillen zum Brechen von einfallender, auf der Linseneinrichtung (24) auftreffender Sonnenstrahlung ausgebildet ist; und mit    einer Trägereinrichtung (22) zum Tragen der Linseneinrichtung (24) über dem Zielbereich (26), und wobei die genannte Linseneinrichtung (24) auf der Trägereinrichtung (22) angebracht ist, so daß sie sich zu dem Zielbereich (26) hin öffnet, wodurch die Linseneinrichtung (24) mindestens entlang einer zur den Rippen und Rillen parallelen Linie gefaltet wird, so daß mindestens zwei Abschnitte (60, 62, 64, 66) der lichtbrechenden Einrichtung (32) definiert werden, die zur Fokussierung der auf dem Zielbereich (26) auftreffenden Sonnenstrahlung dienen.
  13. Einrichtung zur Konzentration von Sonnenenergie nach Anspruch 12, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Film mindestens entlang einer zu der Achse des Zielbereichs (26) parallelen Linie gefaltet wird.
  14. Einrichtung zur Konzentration von Sonnenenergie nach Anspruch 12, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Zielbereich (26) mindestens eine Röhrenleitung (56 oder 58) für die Übertragung eines absorptionsfähigen Mediums (57) aufweist.
  15. Einrichtung zur Konzentration von Sonnenenergie nach Anspruch 12, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinrichtung ferner eine zweite Linseneinrichtung (24′) mit einer glatten Oberfläche (30′) und einer entgegengesetzten Oberfläche (34′) umfaßt; wobei die entgegengesetzte Oberfläche (34′) aus einer Mehrzahl linsenförmiger lichtbrechender Einrichtungen (32′) zur Fokussierung auf dem Film auftreffender, einfallender Sonnenstrahlung auf den Zielbereich (26) gestaltet ist, wodurch das einfallende Licht, das auf der Linseneinrichtung (24) und der zweiten Linseneinrichtung (24′) auftrifft, auf den Zielbereich (26) punktfokussiert wird.
  16. Einrichtung zur Konzentration von Sonnenenergie nach Anspruch 12, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die glatte Oberfläche (30) eine Mehrzahl linsenförmiger, lichtbrechender Prismen (32) zur Fokussierung von einfallender Sonnenstrahlung, die auf dem Film auftrifft, auf den Zielbereich (26) umfaßt, wobei das einfallende Licht punktfokussiert wird.
  17. Verfahren zur Konzentration einfallender Sonnenstrahlung auf einen Zielbereich (26) mit einem allgemein geradlinigen Profil, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:    Bereitstellung eines dünnen, flexiblen, transparenten Films mit einer glatten Oberfläche (30) und einer entgegengesetzten Oberfläche (34), die mit einer Anordnung prismatischer Rippen und Rillen versehen ist, die lichtbrechende Oberflächen (70 und 80) bilden;    Anordnung eines Rahmens (22) mit einer rechteckigen Öffnung entlang der horizontalen Achse des Zielbereichs (26);    Anordnung des dünnen, flexiblen, transparenten Films unter Spannung über dem Rahmen (22) um eine Durchbiegung zu minimieren und um die Öffnung zu bedecken, so daß die mit der Anordnung prismatischer Rippen und Rillen versehene entgegengesetzte Oberfläche so zu dem Zielbereich gerichtet ist, daß die auf der exponierten glatten Oberfläche (30) des Films auftreffende Sonnenstrahlung zu dem Zielbereich gerichtet wird; gekennzeichnet durch:    die Gestaltung des genannten Rahmens aus einer Mehrzahl paralleler Streben (48, 50), wobei sich eine Strebe (48) in der longitudinalen Mitte des Rahmens befindet, und wobei sich eine Strebe (50) auf jeder Seite der genannten Strebe (48) in der Mitte befindet; und wobei    die gemäß Anspruch 1 definierte Filmfläche für den genannten dünnen, flexiblen, transparenten Film verwendet wird.
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