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DE102008062287A1 - Focusing optical element for photovoltaic module of photovoltaic system, has Fresnel structure with active edges inclined at angle so that radiation in active edges is totally refracted on disturbance edges - Google Patents

Focusing optical element for photovoltaic module of photovoltaic system, has Fresnel structure with active edges inclined at angle so that radiation in active edges is totally refracted on disturbance edges Download PDF

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Publication number
DE102008062287A1
DE102008062287A1 DE200810062287 DE102008062287A DE102008062287A1 DE 102008062287 A1 DE102008062287 A1 DE 102008062287A1 DE 200810062287 DE200810062287 DE 200810062287 DE 102008062287 A DE102008062287 A DE 102008062287A DE 102008062287 A1 DE102008062287 A1 DE 102008062287A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
optical element
active edges
radiation
edges
distance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE200810062287
Other languages
German (de)
Inventor
Hans-Martin Bitzer
Frank Dr. Kühnlenz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Orafol Fresnel Optics GmbH
Original Assignee
Fresnel Optics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fresnel Optics GmbH filed Critical Fresnel Optics GmbH
Priority to DE200810062287 priority Critical patent/DE102008062287A1/en
Publication of DE102008062287A1 publication Critical patent/DE102008062287A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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Abstract

The element has a refractive Fresnel structure (A) with active edges (1, 1') and disturbance edges (2, 2') at a plane surface of the element. The surface is arranged at distance smaller or larger than focal distance of the element. The active edges are inclined at small distance to an optical axis of the element with respect to an incidence angle of an electromagnetic radiation. The active edges are arranged at a larger distance to the axis and inclined at an angle so that the radiation in the active edges is totally refracted on the disturbance edges.

Description

Die Erfindung betrifft fokussierende optische Elemente bei denen an einer Fläche eine Fresnelstruktur mit alternierend angeordneten Wirkflanken und Störflanken ausgebildet ist. Damit kann eine Fläche homogen beleuchtet werden. So kann auf einer Fläche eine zumindest nahezu gleiche Beleuchtungsstärkeverteilung erreicht werden. Die Fläche kann dabei in einem Abstand, der bevorzugt kleiner oder aber auch größer als die Brennweite des optischen Elements ist, angeordnet sein.The The invention relates to focusing optical elements in which a surface a Fresnel structure with alternately arranged active edges and disturbing edges is trained. This allows a surface to be illuminated homogeneously. So can on a surface an at least almost equal illumination intensity distribution can be achieved. The area can at a distance that is preferably smaller or larger than the focal length of the optical element is to be arranged.

Mit der Erfindung ist beispielsweise eine Erhöhung der Effizienz konzentrierender Photovoltaiksysteme möglich, wobei über die zu beleuchtende Zellfläche eine möglichst homogene Beleuchtungsstärkeverteilung erreicht werden sollte.With For example, an increase in efficiency is more concentrated in the invention Photovoltaic systems possible, being over the cell surface to be illuminated one possible homogeneous illumination intensity distribution should be achieved.

Die Qualität der in konzentrierenden Photovoltaiksys temen eingesetzten optischen Komponenten ist von herausragender Bedeutung für den Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Dabei wird die Effizienz der Lichtsammlung maßgeblich sowohl von der Homogenität der Beleuchtung als auch die optischen Verluste bestimmt und ist damit wesentlich für den Wirkungsgrad des Moduls. Modellrechnungen haben gezeigt, dass z. B. das Verhältnis von optischer Brennweite zur freien Öffnung einer Linse (F-Zahl) maßgeblich die Linseneffizienz und damit die Effizienz des Gesamtsystems bestimmt. So nimmt die Effizienz optischer Linsen für F-Zahlen kleiner als 1, bedingt durch Fresnelsche Reflexionen beim Lichtaustritt aus der Linse, drastisch ab. Um eine hohe Linsen- und damit Systemeffizienz zu erzielen, sollte die F-Zahl daher größer als 1 sein. Das bedeutet, dass die optische Brennweite der eingesetzten optischen Linse und damit die minimal mögliche Bauhöhe des Systems gleich oder größer als die freie Öffnung der Linse sein muss.The quality the optical systems used in concentrating photovoltaic systems Components is of paramount importance for the efficiency of the overall system. The efficiency of the light collection is decisive for both the homogeneity of the lighting as well as the optical losses and is therefore essential for the efficiency of the module. Model calculations have shown that z. B. the ratio of optical focal length for free opening a lens (F-number) determines the lens efficiency and thus the efficiency of the overall system. Thus, the efficiency of optical lenses for F-numbers is less than 1, conditionally Fresnel reflections on light emission from the lens, drastically. For a high lens and thus system efficiency too Therefore, the F-number should be greater than 1. That means, that the optical focal length of the inserted optical lens and so that the minimum possible height of the system is equal to or greater than the free opening the lens must be.

Stand der Technik ist es, speziell für das jeweilige System berechnete optische Elemente mit rein refraktiven Fresnelstrukturen einzusetzen, die eine möglichst homogene Beleuchtungsstärkeverteilung auf einer Solarzelle unter Berücksichtigung eines ausgewogenen Verhältnisses von optischer Brennweite und freier Öffnung der Linse ermöglichen. Ausgangspunkt der erforderlichen Berechnungen ist dabei die freie Öffnung der Linse, die Abmessungen der eingesetzten Solarzelle sowie das mit dem System zu erzielende Konzentrationverhältnis C, das nach C = η SLens/SCell mit der Linseneffizienz η verknüpft ist. In dieser Gleichung geht die freie Öffnung der Linse als be stimmender Faktor der Linsenfläche SLens und die Abmessung der Zelle als bestimmender Faktor der Zellfläche SCell ein. Die zur Erzielung einer möglichst hohen Effizienz erforderliche optische Brennweite der Linse bzw. die Bauhöhe des Systems wird dabei durch das oben diskutierte Verhältnis zwischen optischer Brennweite und freier Öffnung der Linse vorgegeben. Unter Berücksichtigung dieser grundlegenden Daten ergeben sich die erforderlichen Ablenkwinkel für das Licht, das an den Wirkflächen gebrochen wird, und damit die Neigungen der Wirkflanken die in einem bestimmten Abstand zur optischen Achse zu realisieren sind und die mit der bekannten Asphärengleichung Z = (1/r·h2)/(1 + √1 + (1 – cc)·h2/r2 + A2h2 + A4h4 + A6h6 .. dargestellt werden können. Nach diesem Prinzip entspricht ein definierter Abstand zur optischen Achse der Linse einem definierten Ablenkwinkel und damit ein definierter Auftreffpunkt des Lichtes im gewünschten Ausleuchtungsbereich auf der Zelle oder einer zu beleuchtenden Fläche. Durch Auslegung des Linsendesigns und damit der Fresnelstruktur als nicht abbildende Linse kann hiermit eine möglichst homogene Ausleuchtung der Zelle bzw. Fläche realisiert werden. Im Allgemeinen wird dabei aber immer das in unmittelbarer Umgebung zur optischen Achse auf die Linse auftreffende Licht nur wenig abgelenkt, während das Licht von den am weitesten von der optischen Achse entfernten Bereichen der Linse, z. B. den Diagonalpunkten, am stärksten abgelenkt wird.It is the state of the art to use optical elements with purely refractive Fresnel structures, which are calculated specifically for the respective system, which enable the most uniform possible illumination intensity distribution on a solar cell, taking into account a balanced ratio of optical focal length and free opening of the lens. The starting point for the calculations required is the free opening of the lens, the dimensions of the solar cell used and the concentration ratio C to be achieved with the system C = η S Lens / S Cell is associated with the lens efficiency η. In this equation, the free opening of the lens is a determining factor of the lens surface S Lens and the dimension of the cell as a determining factor of the cell surface S Cell . The required to achieve the highest possible efficiency optical focal length of the lens or the height of the system is determined by the above-discussed ratio between the optical focal length and the free opening of the lens. Taking into account these basic data, the required deflection angles for the light which is refracted at the active surfaces and thus the inclinations of the active edges which are to be realized at a certain distance from the optical axis and those with the known aspheric equation are obtained Z = (1 / r · h 2 ) / (1 + √1 + (1 - cc) · h 2 / r 2 + A 2 H 2 + A 4 H 4 + A 6 H 6 .. can be represented. According to this principle, a defined distance to the optical axis of the lens corresponds to a defined deflection angle and thus to a defined point of impact of the light in the desired illumination area on the cell or of a surface to be illuminated. By designing the lens design and thus the Fresnel structure as a non-imaging lens, a homogeneous illumination of the cell or surface can be realized hereby. In general, however, the light incident on the lens in the immediate vicinity of the optical axis is only slightly deflected, while the light is deflected by the regions of the lens furthest away from the optical axis, e.g. B. the diagonal points, is deflected the strongest.

Limitierend an dieser Anordnung ist, dass die durch die freie Öffnung der Linse vorgegebene und erforderliche große Lichtablenkung, die zu einer Richtungsänderung der Strahlung und somit zum Fokussieren führt, speziell im Bereich der Diagonalpunkte eine entsprechend große Neigung der Wirkflanken erfordert. Bedingt durch die großen Wirkflankenneigungen steigen die Lichtverluste durch Fresnelsche Reflexion drastisch an und die Linseneffizienz wird entsprechend geringer. Nach dem oben beschriebenen Zusammenhang zwischen der Linseneffizienz und dem Verhältnis aus optischer Brennweite und freier Öffnung der Linse können mit herkömmlichen Fresnellinsen nur dann hohe Effizienzen erzielt werden, wenn eine kurze Brennweite mit einer entsprechend kleinen freien Öffnung oder aber eine große freie Öffnung mit einer entsprechend langen Brennweite realisiert wird.limiting in this arrangement is that through the free opening of the Lens predetermined and required large light deflection, leading to a change in direction the radiation and thus leads to focusing, especially in the field of Diagonal points a correspondingly large inclination of the active edges requires. Due to the large effective edge slopes increase the light losses by Fresnel reflection drastically and the Lens efficiency is correspondingly lower. After the above Relationship between the lens efficiency and the ratio of optical focal length and free opening the lens can with conventional Fresnel lenses only then high efficiencies can be achieved if one short focal length with a correspondingly small free opening or but a big one free opening is realized with a correspondingly long focal length.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der eine möglichst effiziente und homogene Ausleuchtung von zu beleuchtenden Flächen mit einem optischen Element, das eine Fresnelstruktur aufweist, erreichbar ist.It The object of the invention is a possibility to propose, with the one possible efficient and homogeneous illumination of surfaces to be illuminated with an optical element having a Fresnel structure, reachable is.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem optischen Element, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden. Eine vorteilhafte Verwendung gibt Anspruch 8 an.According to the invention, this object is achieved with an optical element having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be found in subordinate claims designated characteristics can be achieved. An advantageous use gives claim 8.

Ein erfindungsgemäßes fokussierendes optisches Element weist an einer Fläche eine Fresnelstruktur mit alternierend angeordneten Wirkflanken und Störflanken auf. Es soll eine Fläche homogen beleuchten, die in einem Abstand, größer bevorzugt aber kleiner als die Brennweite des optischen Elements ist, angeordnet ist. Dabei sind Wirkflanken in einem kleineren Abstand zur optischen Achse des optischen Elements in Winkeln in Bezug zum Einfallswinkel von elektromagne tischer Strahlung im Wellenlängenbereich des Lichts so geneigt sind, dass die auftreffende Strahlung gebrochen wird. Wirkflanken, die in einem größeren Abstand zur optischen Achse angeordnet sind, sind im Gegensatz dazu in Winkeln so geneigt, dass einfallende Strahlung an diesen Wirkflanken auf eine jeweils daneben angeordnete Störflanke total reflektiert und an dieser Störflanke gebrochen wird.One focusing according to the invention optical element has on a surface with a Fresnel structure alternately arranged active edges and Störflanken on. It's supposed to be one area to illuminate homogeneously, which at a distance, but more preferably smaller as the focal length of the optical element is arranged. there are active edges at a smaller distance to the optical axis of the optical element at angles with respect to the angle of incidence of electromagnetic radiation in the wavelength range of light so inclined are that the incident radiation is broken. Active edges, the at a greater distance to the optical axis are, in contrast, at angles so inclined that incident radiation at these active edges up a respective adjacent Störflank totally reflected and at this Störflanke is broken.

Wie bereits im einleitenden Teil der Beschreibung zum Ausdruck gebracht, wirkt sich die Erfindung insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn das Verhältnis seiner Brennweite zu seiner freien Öffnung ≤ 1 ist.As already expressed in the introductory part of the description, the invention is particularly advantageous if The relationship its focal length to its free opening is ≤ 1.

Damit kann eine Erhöhung der Effizienz für eine homogene Beleuchtung einer Fläche bei gleichzeitiger Reduzierung des Abstandes der zu beleuchtenden Fläche vom optischen Element erreicht werden. So kann z. B. die Modulbauhöhe und damit der Materialeinsatzes für Solarmodule reduziert werden. Zusätzlich kann der Halbleiter-Materialeinsatz für die Herstellung von Solarzellen durch entsprechend angepasste Zellgeometrien verringert werden.In order to can be an increase the efficiency for one homogeneous illumination of a surface while reducing the distance to be illuminated area be achieved by the optical element. So z. B. the module height and thus the material used for Solar modules are reduced. Additionally, the semiconductor material usage for the production of solar cells reduced by appropriately adapted cell geometries become.

An einem erfindungsgemäßen optischen Element wird kollimiertes Licht als elektromagnetische Strahlung an Fresnelstruktur gebrochen. Eine geringe Neigung, d. h. ein Einfallswinkel > 0° des auf die Oberfläche gerichteten Lichtes kann dabei toleriert und durch geeignete Maßnahmen am optischen Element auch kompensiert werden.At an optical element according to the invention becomes collimated light as electromagnetic radiation at Fresnel structure Broken. A slight slope, d. H. an angle of incidence> 0 ° of the directed on the surface Light can be tolerated and by appropriate measures be compensated on the optical element as well.

Im Gegensatz zur herkömmlichen ausschließlich refraktiv wirkenden Fresnellinsen sind an einem erfindungsgemäßen optischen Element mindestens zwei aneinander anschließende, unterschiedliche Fresnelstruktu ren vorhanden, so dass man es auch als „Hybridlinse” bezeichnen kann. Demzufolge ist an einem optischen Element eine Fresnelstruktur (Struktur A) beginnend auf der optischen Achse, die von mindestens einer zweiten Fresnelstruktur (Struktur B) im Außenbereich des optischen Elements umgeben oder dort bereichsweise ausgebildet. Dabei nutzt Struktur A das herkömmliche Prinzip der Lichtbrechung, d. h. Licht tritt über die Planfläche des optischen Elements in dieses ein und wird beim Austritt von den Wirkflanken entsprechend dem Brechungsgesetz in Richtung der zu beleuchtenden Fläche gebrochen. Im Gegensatz dazu nutzt die Struktur B das Prinzip der Totalreflexion (TIR), d. h. das über die Planfläche in das optische Element eintretende Licht wird an den Wirkflanken total und in Richtung der Störflanken reflektiert und anschließend über die Störflanken definiert in Richtung der der zu beleuchtenden Fläche, z. B. der Zelle gebrochen.in the Contrary to conventional exclusively refractive Fresnellinsen are on an optical according to the invention Element at least two adjoining, different Fresnelstruktu ren present, so it is also called a "hybrid lens" can. As a result, a Fresnel structure is formed on an optical element (Structure A) starting on the optical axis, that of at least a second Fresnel structure (structure B) in the outer region of the optical element surrounded or formed there in areas. It uses structure A the conventional one Principle of refraction of light, d. H. Light passes over the plane surface of the optical element in this one and is at the exit of the Effect edges according to the law of refraction in the direction of illuminating surface Broken. In contrast, structure B uses the principle of Total reflection (TIR), d. H. the above the plane surface light entering the optical element becomes at the active edges totally and in the direction of the Störflanken reflected and then over the disturbing edges defined in the direction of the surface to be illuminated, z. B. the cell is broken.

Die näher zur optischen Achse angeordnete rein refraktiv wirkende Fresnelstruktur arbeitet dabei wie eine herkömmliche Fresnellinse. Bei gegebenem Abstand zwischen optischem Element und zu beleuchtender Fläche werden ab einem bestimmten Abstand zur optischen Achse die Flankenneigungen von Wirkflächen einer solchen refraktiven Struktur so groß, dass ein großer Anteil des Lichtes über Reflexion bzw. Reflexion und anschließende undefinierte Lichtbrechung verloren geht. Dieser Effekt nimmt für F-Zahlen kleiner als 1 drastisch zu. Ordnet man nun um die refraktive Fresnelstruktur herum eine zweite Fresnelstruktur, also in einem größeren Abstand zur optischen Achse so an, dass auf die Wirkflanken auftreffendes Licht definiert reflektiert und anschließend über die Störflanken ebenfalls definiert in Richtung der zu beleuchtenden Fläche gebrochen wird, so fällt die Effizienz des optischen Elements und damit die Effizienz des Gesamtsystems deutlich höher aus als die eines optischen Elements mit rein refraktiv wirkender Fresnelstruktur.The closer to optical axis arranged purely refractive Fresnel structure works like a conventional one Fresnel lens. For a given distance between the optical element and to be illuminated surface be from a certain distance to the optical axis, the edge slopes of active surfaces Such a refractive structure so large that a large proportion the light over Reflection or reflection and subsequent undefined refraction of light get lost. This effect decreases dramatically for F numbers less than 1 to. If one now arranges one around the refractive Fresnel structure second Fresnel structure, ie at a greater distance from the optical Axis so that defines incident light on the active edges reflected and then over the disturbing edges also defined broken in the direction of the surface to be illuminated it will fall Efficiency of the optical element and thus the efficiency of the overall system significantly higher than that of an optical element with purely refractive effect Fresnel.

Bei einem erfindungsgemäßen optischen Element können Wirkflanken beginnend ab einem Abstand von der optischen Achse des optischen Elements angeordnet sein, bei denen der Anteil an reflektierter Strahlung an Wirkflanken größer als der gebrochene Anteil der Strahlung wäre.at an optical element according to the invention can Active edges starting at a distance from the optical axis of the be arranged in which the proportion of reflected Radiation at active edges greater than the fraction of radiation would be broken.

Durch die Auslegung eines fokussierenden optischen Elements mit einer refraktiven und einer TIR-Teilstruktur, ist eine drastische Steigerung der Effizienz speziell für solche mit F-Zahl kleiner als 1 möglich. Dadurch ist es möglich, bei optischen Elementen mit relativ großer freier Öffnung den Abstand zwischen optischem Element und zu beleuchtender Fläche bei gleichzeitig geringerem Materialeinsatz für ein vollständiges Modul deutlich zu minimieren. Weiterhin kann bei optischen Elementen mit relativ geringer freier Öffnung der Abstand zwischen optischem Element und zu beleuchtender Fläche und damit der Materialeinsatz für ein Modul ebenfalls deutlich minimiert werden.By the design of a focusing optical element with a refractive and a TIR substructure, is a drastic increase in efficiency especially for those with F-number less than 1 possible. This makes it possible for optical elements with a relatively large free opening the distance between optical element and surface to be illuminated at the same time lower Material use for a complete one To minimize module significantly. Furthermore, with optical elements with a relatively small free opening the distance between the optical element and surface to be illuminated and thus the material use for a module can also be significantly minimized.

Für den Übergangsabstand in Bezug zur optischen Achse zwischen refraktiver und TIR-Fresnelstruktur, d. h. den Abstand zur optischen Achse bei dem die refraktive Struktur endet und die TIR-Struktur beginnt (4) kann kein allgemein gültiger Wert angegeben werden. Die Lage des Übergangspunktes ist von der Auslegung des Gesamtsystems abhängig und kann mittels Raytracing-Analyse ermittelt werden. Der Übergang zwischen refraktiver und TIR-Fresnelstruktur sollte in dem Abstand zur optischen Achse erfolgen, bei dem die Effizienz der TIR-Struktur größer wird als die Effizienz der refraktiven Struktur. Weiterhin kann durch eine entsprechende Auslegung der Außengeometrie des optischen Elements sowie des Verhältnisses der refraktiven Fresnelstruktur zur TIR-Fresnelstruktur eine weitestgehend quadratische/rechteckige Intensitätsverteilung auf der zu beleuchtenden Flächerealisiert werden. Ein optisches Element kann demzufolge auch einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt mit entsprechenden äußeren Rand aufweisen. Eine solche Beleuchtung einer Fläche kann z. B. dadurch beeinflusst werden, indem die refraktive Struktur entlang der Kanten des optischen Elements bis zum Rand hin geführt wird, während die TIR-Struktur nur in den Ecken des optischen Elements wirksam ist. Bei rechteckigen oder quadratischen optischen Elementen können Wirkflanken an denen Strahlung total reflektiert wird demzufolge mindestens in den radial äußeren Eckbereichen des optischen Elements vorhanden sein.For the transition distance in relation to the optical axis between refractive and TIR Fresnel structure, ie the distance to the optical axis at which the refractive structure ends and the TIR structure begins ( 4 ) can not be universally valid Value can be specified. The position of the transition point depends on the design of the overall system and can be determined by means of ray tracing analysis. The transition between the refractive and TIR Fresnel structures should be at the distance to the optical axis, where the efficiency of the TIR structure is greater than the efficiency of the refractive structure. Furthermore, by a corresponding design of the outer geometry of the optical element and the ratio of the refractive Fresnel structure to the TIR Fresnel structure, a largely square / rectangular intensity distribution on the surface to be illuminated can be realized. An optical element can therefore also have a square or rectangular cross-section with a corresponding outer edge. Such lighting a surface can, for. B. be influenced by the refractive structure along the edges of the optical element is guided to the edge, while the TIR structure is effective only in the corners of the optical element. In the case of rectangular or square optical elements, active flanks on which radiation is totally reflected can therefore be present at least in the radially outer corner regions of the optical element.

Durch die Realisierung einer solchen Intensitätsverteilung kann bei der Herstellung von Solarmodulen mit erfindungsgemäßen optischen Elementen ebenfalls Material eingespart werden, da bei quadratischen bzw. rechteckigen Geometrien der Anteil an nicht nutzbarem Halbleitermaterial bei der Vereinzelung geringer werden kann. Aus diesem Grund werden quadratische/rechteckige Geometrien von den Solarzellherstellern bevorzugt.By the realization of such an intensity distribution can be during the production of solar modules with optical elements according to the invention also Material can be saved, as with square or rectangular Geometries, the proportion of unusable semiconductor material at the singling can become smaller. For this reason, square / rectangular Geometries preferred by the solar cell manufacturers.

Durch eine entsprechende Auslegung der zwei unterschiedlichen Fresnelstrukturen kann auf der Solarzelle als zu beleuchtende Fläche ein umlaufender Rand realisiert werden, auf dem die Intensität des auf treffenden Lichtes gegen Null geht. Damit wird das Gesamtsystem gleichzeitig unempfindlicher gegenüber Trackingfehlern, beim Nachführen von Solarmodulen in Bezug zur Einfallsrichtung von Sonnenlicht, wodurch, je nach Applikation, die Möglichkeit besteht auf eine Sekundäroptik verzichten zu können.By a corresponding interpretation of the two different Fresnel structures can be realized on the solar cell as a surface to be illuminated, a circumferential edge on which the intensity of the on approaching light goes to zero. This will be the overall system at the same time less sensitive to tracking errors when tracking solar modules in relation to the direction of incidence of sunlight, whereby, depending on Application, the possibility insists on secondary optics to be able to do without.

Bei erfindungsgemäßen optischen Elementen besteht außerdem die Möglichkeit die Wirkflanken, die in einem größeren Abstand zur optischen Achse angeordnet sind und die die Strahlung total reflektieren an ihrer Oberfläche mit einer reflektierenden Beschichtung zu versehen.at according to the invention optical Elements exists as well the possibility the active edges, which are at a greater distance are arranged to the optical axis and the total of the radiation reflect on their surface to be provided with a reflective coating.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail by way of example.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen optischen Elements; 1 a sectional view of an example of an optical element according to the invention;

2 in schematischer Darstellung den Übergang von einer refraktiven zu einer TIR-Fresnelstruktur wie er an einem erfindungsgemäßen optischen Element vorhanden sein kann; 2 a schematic representation of the transition from a refractive to a TIR Fresnel structure as it may be present on an optical element according to the invention;

3 in schematischer Darstellung die Ablenkung der Strahlung an einer Wirkflanke durch Brechung; 3 a schematic representation of the deflection of the radiation at an active edge by refraction;

4 in schematischer Darstellung die Reflexion der Strahlung an einer Wirkflanke mit Brechung an einer Störflanke; 4 a schematic representation of the reflection of the radiation at an active edge with refraction at a Störflanke;

5 eine Draufsicht auf ein quadratisches optisches Element, bei dem eine TIR-Fresnelstruktur le diglich in Eckbereichen ausgebildet ist und 5 a plan view of a square optical element in which a TIR Fresnelstruktur le diglich is formed in corner regions and

6 ein das Verhältnis der Effizienz optischer Elemente unter Berücksichtigung der F-Zahl wiedergebendes Diagram für herkömmliche Fresnellinsen. 6 a diagram showing the ratio of the efficiency of optical elements taking into account the F-number diagram for conventional Fresnel lenses.

Mit der in 1 gezeigten Schnittdarstellung kann verdeutlicht werden, dass in der Nähe der optischen Achse, die hier senkrecht in der Mitte verläuft, Wirkflanken 1 und Störflanken 2 einer Fresnelstruktur A ausgebildet sind, bei denen die Ablenkung der Strahlung, wie in 3 gezeigt, allein durch Brechung an den Wirkflanken 1, also auf herkömmliche Art, zur Fokussierung der Strahlung erfolgt.With the in 1 shown sectional view can be illustrated that in the vicinity of the optical axis, which is perpendicular here in the middle, active edges 1 and Störflanken 2 a Fresnel structure A are formed, in which the deflection of the radiation, as in 3 shown only by refraction at the active edges 1 , So in a conventional way, to focus the radiation takes place.

In einem größeren Abstand zur optischen Achse, hier am radial äußeren Rand ist eine TIR-Fresnelstruktur B ausgebildet. Dabei wird Strahlung die dort auf Wirkflanken 1' auftrifft total reflektiert und trifft dadurch auf eine jeweils daneben angeordnete Störflanke 2' auf, an der sie gebrochen und entsprechend abgelenkt wird. Die Strahlführung erfolgt dort, wie in 4 schematisch an einer Wirkflanke 1' und Störflanke 2' gezeigt ist.At a greater distance from the optical axis, here at the radially outer edge, a TIR Fresnel structure B is formed. This radiation is there on active edges 1' impinges totally reflected and thereby hits a respective adjacently arranged Störflanke 2 ' on, where it is broken and distracted accordingly. The beam guidance takes place there, as in 4 schematically on an active flank 1' and Störflanke 2 ' is shown.

Der Übergang von einer refraktiven Fresnelstruktur A zu einer TIR-Fresnelstruktur B ist in vergrößerter Darstellung mit 2 gezeigt.The transition from a refractive Fresnel structure A to a TIR Fresnel structure B is shown in an enlarged view 2 shown.

In 5 ist eine Draufsicht auf ein optisches Element mit einem quadratischen äußeren Rand und einer so gestalteten freien Öffnung gezeigt. Bei diesem Beispiel sind lediglich in den vier radial außen angeordneten Eckbereichen Wirkflanken 1' und Störflanken 2' einer TIR-Fresnelstruktur B vorhanden. Im zentralen Teil um die optische Achse, zum Teil mit abgeschnittenem äußeren Rand, ist eine refraktive Fresnelstruktur A mit Wirkflanken 1, an denen die Strahlung ausschließlich durch Brechung abgelenkt wird, ausgebildet. Lichtverluste aus diesen Eckbereichen können so verhindert zumindest aber reduziert werden.In 5 Figure 11 is a plan view of an optical element having a square outer edge and a free aperture thus formed. In this example, active edges are only in the four radially outwardly arranged corner regions 1' and Störflanken 2 ' a TIR Fresnel structure B available. In the central part around the optical axis, partly with the outer edge cut off, there is a refractive Fresnel structure A with active edges 1 , where the radiation is deflected exclusively by refraction, formed. Loss of light from these Corner areas can thus be prevented or at least reduced.

Mit dem in 6 gezeigten Diagramm, wird deutlich, dass bei herkömmlichen Fresnellinsen die Effizienz mit kleiner werdender F-Zahl, also bei größeren freien Öffnungen fokussierender optischer Elemente in Bezug zur jeweiligen Brennweite stark abfällt. Demzufolge muss eine zu beleuchtende Fläche in einem größeren Abstand zum optischen Element angeordnet werden, um diesem Effekt entgegenwirken zu können, wenn man auf herkömmliche Fresnellinsen zurück greifen muss bzw. will, als dies mit der Erfindung möglich ist.With the in 6 As shown in the diagram, it becomes clear that in conventional Fresnel lenses, the efficiency drops sharply with decreasing F-number, that is to say with larger optical openings focusing free openings in relation to the respective focal length. Consequently, a surface to be illuminated must be arranged at a greater distance from the optical element, in order to be able to counteract this effect, if one must resort to conventional Fresnel lenses, or back, as is possible with the invention.

Claims (8)

Fokussierendes optisches Element, bei dem an einer Fläche eine Fresnelstruktur mit alternierend angeordneten Wirkflanken und Störflanken ausgebildet ist, das eine Fläche homogen beleuchtet, die in einem Abstand, der kleiner oder größer als die Brennweite des optischen Elements ist, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Wirkflanken (1) in einem kleineren Abstand zur optischen Achse des optischen Elements in Winkeln in Bezug zum Einfallswinkel von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des Lichts so geneigt sind, dass die auftreffende Strahlung gebrochen wird und Wirkflanken (1'), die in einem größeren Abstand zur optischen Achse angeordnet sind, in Winkeln so geneigt sind, dass einfallende Strahlung an diesen Wirkflanken auf eine daneben angeordnete Störflanke (2') total reflektiert und an dieser Störflanke (2') gebrochen wird.Focusing optical element, in which on one surface a Fresnel structure is formed with alternately arranged active edges and interfering edges, which homogeneously illuminates a surface which is arranged at a distance which is smaller or larger than the focal length of the optical element, characterized in that Active edges ( 1 ) are inclined at a smaller distance to the optical axis of the optical element at angles with respect to the angle of incidence of electromagnetic radiation in the wavelength range of the light so that the incident radiation is refracted and active edges ( 1' ), which are arranged at a greater distance from the optical axis, are inclined at angles such that incident radiation at these active edges is incident on a fault flank ( 2 ' ) totally reflected and at this Störflanke ( 2 ' ) is broken. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis seiner Brennweite zur freien Öffnung des optischen Elements ≤ 1 ist.Optical element according to claim 1, characterized in that that the ratio its focal length for free opening of the optical element ≦ 1. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist, dabei Wirkflanken (1') an denen die Strahlung reflektiert wird, mindestens in den radial äußeren Eckbereichen des optischen Elements ausge bildet sind und im radial inneren Bereich des optischen Elements ausschließlich Wirkflanken (1), an denen die Strahlung gebrochen wird, ausgebildet sind.Optical element according to claim 1 or 2, characterized in that it has a square or rectangular cross-section, thereby active edges ( 1' ) at which the radiation is reflected, at least in the radially outer corner regions of the optical element out forms and in the radially inner region of the optical element exclusively active edges ( 1 ), at which the radiation is refracted, are formed. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wirkflanken (1') beginnend ab einem Abstand von der optischen Achse des optischen Elements angeordnet sind, bei dem der Anteil an reflektierter Strahlung an Wirkflanken (1) größer als der gebrochene Anteil der Strahlung ist.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that active edges ( 1' ) are arranged starting from a distance from the optical axis of the optical element, in which the proportion of reflected radiation at active edges ( 1 ) is greater than the fractional fraction of the radiation. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Solarzelle über die Fläche homogen beleuchtbar ist.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that a solar cell can be illuminated homogeneously over the surface. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Fresnelstruktur gegenüberliegende Fläche des optischen Elements als Planfläche ausgebildet ist.Optical element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the Fresnel structure opposite Area of optical element as a plane surface is trained. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wirkflanken (1'), an denen die Strahlung reflektiert wird, an ihrer Oberfläche mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that active edges ( 1' ), on which the radiation is reflected, are provided on its surface with a reflective coating. Verwendung eines optischen Elements nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Photovoltaikmodule.Use of an optical element according to one of previous claims for photovoltaic modules.
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