DE102012111978A1

DE102012111978A1 - Optisches Energieübertragungssystem

Info

Publication number: DE102012111978A1
Application number: DE102012111978.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Giesen Adolf; Stephan Anders; Dr. Eckel Hans-Albert
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-03-20
Also published as: US20160005907A1; US9985157B2; EP2929571A2; WO2014086911A2; WO2014086911A3

Abstract

Um ein Optisches Energieübertragungssystem, umfassend eine energieaussendende Einheit, die eine Laserstrahlungsquelle zur Erzeugung eines energieübertragenden Laserstrahls sowie eine Zieleinrichtung zur Ausrichtung des energieübertragenden Laserstrahls relativ zu einer vom Energieübertragungssystem umfassten energieempfangenden Einheit aufweist, welche einen optisch/elektrischen Konverter umfasst, der die Energie des energieübertragenden Laserstrahls direkt in elektrische Energie umwandelt, derart zu verbessern, dass einerseits trotz hoher optischer Leistung die thermischen Zerstörschwellen der eingesetzten photovoltaischen Elemente nicht erreicht werden und andererseits die Lasersicherheit gewährleistet ist, wird vorgeschlagen, dass der Konverter mindestens ein Konverterelement mit mehreren den auf diesem auftreffenden energieübertragenden Laserstrahl reflektierenden Flächen aufweist, die relativ zueinander so angeordnet sind, dass der auftreffende energieübertragende Laserstrahl von einer der reflektierenden Flächen zu einer anderen der reflektierenden Flächen umgelenkt wird und dass mindestens einige der reflektierenden Flächen durch jeweils eine Konversionseinheit gebildet sind, welche den auftreffenden Laserstrahl zum einen Teil reflektiert und zum anderen Teil in einem von der Konversionseinheit umfassten photovoltaischen Element absorbiert und dabei die optische Energie direkt in elektrische Energie umsetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Energieübertragungssystem, umfassend eine energieaussendende Einheit, die eine Laserstrahlungsquelle zur Erzeugung eines energieübertragenden Laserstrahls sowie eine Zieleinrichtung zur Ausrichtung des energieübertragenden Laserstrahls relativ zu einer von dem Energieübertragungssystem umfassten energieempfangenden Einheit aufweist, welche einen optisch/elektrischen Konverter umfasst, der die Energie des energieübertragenden Laserstrahls direkt in elektrische Energie umwandelt.
Derartige Energieübertragungssysteme sind im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt, wobei der bekannte Konverter aus einem photovoltaischen Element besteht, welches die optische Energie des energieübertragenden Laserstrahls direkt in elektrische Energie umsetzt.
Hierbei ergeben sich einerseits Probleme dahingehend, dass die thermische Zerstörschwelle des photovoltaischen Elements nicht überschritten werden darf und andererseits dahingehend, dass die Lasersicherheit insbesondere bei Reflexion des energieübertragenden Laserstrahls, nicht dauerhaft gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Energieübertragungssystem der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, dass einerseits trotz hoher optischer Leistung die thermischen Zerstörschwellen der eingesetzten photovoltaischen Elemente nicht erreicht werden und andererseits die Lasersicherheit gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird bei einem optischen Energieübertragungssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Konverter mindestens ein Konverterelement mit mehreren, den auf diesem auftreffenden energieübertragenden Laserstrahl reflektierenden Flächen aufweist, die relativ zueinander so angeordnet sind, dass der auftreffende energieübertragende Laserstrahl von einer der reflektierenden Flächen zu einer anderen der reflektierenden Flächen umgelenkt wird und das mindestens einige der reflektierenden Flächen durch jeweils eine Konversionseinheit gebildet sind, welche den auftreffenden Laserstrahl zum einen Teil reflektiert und zum anderen Teil in einem von der Konversionseinheit umfassten photovoltaischen Element absorbiert und dabei die optische Energie direkt in elektrische Energie umsetzt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht einerseits darin, dass sich die Lasersicherheit durch den Einsatz mehrerer reflektierender Flächen gewährleisten lässt und andererseits darin, dass dadurch, dass einige, das heißt mindestens zwei, der reflektierenden Flächen durch jeweils eine Konversionseinheit gebildet sind, welche den auftreffenden Laserstrahl zum Teil reflektieren, zum anderen Teil aber direkt in elektrische Energie umsetzen. Dadurch besteht die Möglichkeit, mit mehreren photovoltaischen Elementen die Energie des auftreffenden Laserstrahls direkt in elektrische Energie umzusetzen und somit zu erreichen, dass trotz hoher Energie des energieübertragenden Laserstrahls die Zerstörschwelle der einzelnen photovoltaischen Elemente nicht erreicht wird.
Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn mindestens drei der reflektierenden Flächen des Konverters durch eine Konversionseinheit gebildet sind.
Um auch mit großer Energie im energieübertragenden Laserstrahl arbeiten zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen wenn der Konverter mindestens ein Konverterelement aufweist, dessen reflektierende Flächen durch mehr als drei, vorzugsweise mehr als fünf Konversionseinheiten gebildet sind.
Hinsichtlich der Ausbildung der Konversionseinheiten wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Prinzipiell hat eine nur aus einem photovoltaischen Element gebildete Konversionseinheit bei nicht senkrechtem Einfall eines Laserstrahls einen von null verschiedenen Reflexionsgrad und einen von null verschiedenen Absorptionsgrad.
Um jedoch eine Anpassung des Reflexionsgrads und des Absorptionsgrads vornehmen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die jeweilige Konversionseinheit das photovoltaische Element sowie eine auf einer Strahlungseintrittsfläche des photovoltaischen Elements angeordnete reflexionsbestimmende Beschichtung aufweist.
Mit einer derartigen reflexionsbestimmenden Beschichtung lässt sich der Reflexionsgrad und der Absorptionsgrad einer jeden Konversionseinheit definiert und gegebenenfalls individuell festlegen.
Unabhängig von der jeweiligen reflexionsbestimmenden Beschichtung kann dabei der Reflexionsgrad und der Absorptionsgrad von dem Auftreffwinkel des energieübertragenden Laserstrahls auf der reflexionsbestimmenden Beschichtung abhängig sein, so dass es in diesem Fall gegebenenfalls erforderlich ist, die jeweilige reflektierende Fläche und den energieübertragenden Laserstrahl so relativ zueinander auszurichten, dass ein bestimmter Winkelbereich für den Auftreffwinkel eingehalten wird.
Beispielsweise ist bei einer erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, dass der Konverter so ausgebildet ist, dass der energieübertragende Laserstrahl auf die erste reflektierende Fläche in einem Auftreffwinkel auftrifft, der 80° oder weniger beträgt, vorzugsweise wird der Auftreffwinkel so gewählt, dass dieser 60° oder weniger beträgt.
Ferner ist auch eine Mindestgröße des Auftreffwinkels vorteilhaft.
Aus diesem Grund wird bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass der Konverter so ausgebildet ist, dass der energieübertragende Laserstrahl auf die erste reflektierende Fläche in einem Auftreffwinkel auftrifft, der 10° oder mehr, vorzugsweise 30° oder mehr beträgt.
Hinsichtlich des Reflexionsgrades und des Absorptionsgrades der Konversionseinheiten eines Konverters wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine besonders einfache Lösung vor, dass alle Konversionseinheiten eines Konverterelements denselben Reflexions- und Absorptionsgrad aufweisen.
Alternativ dazu ist es jedoch, insbesondere bei mehr als zwei oder drei Konversionseinheiten, vorteilhaft, wenn die von dem Laserstrahl aufeinanderfolgend beaufschlagten Konversionseinheiten einen unterschiedlichen Reflexions- und Absorptionsgrad aufweisen.
Ein derart unterschiedlicher Reflexions- und Absorptionsgrad lässt sich dabei so einstellen, dass einerseits die thermische Zerstörschwelle des jeweiligen photovoltaischen Elements nicht erreicht wird, andererseits aber mit möglichst wenig Konversionselementen eine weitgehend vollständige Absorption des energieübertragenden Laserstrahls erreicht werden kann.
Diese Zielvorstellung lässt sich vorzugsweise dadurch erreichen, dass bei den aufeinanderfolgend durch den energieübertragenden Laserstrahl beaufschlagten Konversionseinheiten der Reflexionsgrad in der Reihenfolge der Beaufschlagung derselben durch den energieübertragenden Laserstrahl abnimmt und der Absorptionsgrad zunimmt.
Geht man davon aus, dass nach einer Zahl von N Reflexionen an erfindungsgemäßen Konversionseinheiten die Energie des energieübertragenden Laserstrahls nahezu null ist nach der letzten Reflexion, so ist der Absorptionsgrad aufeinanderfolgender Konversionseinheiten gemäß folgender Reihe zu wählen: 1/n, 1/(n – 1), 1/(n – 2), ..., 1/2, 1.
Die den Absorptionsgraden entsprechenden Reflexionsgrade sind gemäß folgender Reihe zu wählen: (n – 1)/n, ((n – 1) – 1)/(n – 1), ((n – 1) – 2)/(n – 2) ... 0
Diese Reihe der Absorptionsgrade lässt sich noch ferner verallgemeinert darstellen in der folgenden Reihe für den Absorptionsgrad: 1/(n + m), 1/(n – 1 + m), 1/(n – 2 + m), ... 1/(1 + m) und der folgenden Reihe für den Reflexionsgrad: ((n + m – 1))/(n + m), ((n + m – 1) – 1)/(n – 1 + m), ((n + m – 1) – 2)/(n – 2 + m) ... ((n + m – 1) – (n – 1))/(1 + m).
In diesem Fall wird also nach der n-ten Reflexion noch der m/(n + m)-te Teil der einfallenden Energie oder Leistung von der letzten reflektierenden Fläche reflektiert. Dieser Teil kann nun in einen optischen Sumpf gelenkt werden oder es besteht die Möglichkeit, diesen Teil vollständig durch senkrechtes Auftreffen auf ein photovoltaisches Element in diesem zu absorbieren oder diesen Teil zurückzureflektieren und dann in den übrigen, Konversionseinheiten beim Rücklauf zu absorbieren.
Hinsichtlich des Aufbaus des Konverterelements im Einzelnen wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die reflektierenden Flächen den energieübertragenden Laserstrahl so reflektieren, dass dieser insgesamt in zwei Raumrichtungen in dem Konverterelement verläuft.
Alternativ dazu ist es denkbar, dass die reflektierenden Flächen den energieübertragenden Laserstrahl so reflektieren, dass dieser insgesamt in drei Raumrichtungen in dem Konverterelement verläuft.
Hinsichtlich der Ausrichtung der reflektierenden Flächen im Konverterelement relativ zu dem energieübertragenden Laserstrahl wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Prinzipiell wären beliebige Ausrichtungen denkbar.
Um möglichst günstige Verhältnisse zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die reflektierenden Flächen des Konverterelements in einem Winkel im Bereich zwischen 30° und 60°, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 40° und 50°, zu dem jeweils auf diesen auftreffenden Abschnitt des energieübertragenden Laserstrahls verlaufen.
Ferner sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass das Konverterelement so aufgebaut ist, dass dieses den energieübertragenden Laserstrahl nach Reflexion an mehreren reflektierenden Flächen in sich selbst zurückreflektiert.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass damit in einfacher Weise die Anforderungen an die Lasersicherheit erfüllt werden können, da damit sichergestellt ist, dass ein wieder aus dem Konverterelement ausfallender Laserstrahl zu der energieaussendenden Einheit zurückläuft und nicht unkontrolliert im Raum reflektiert werden kann.
Eine einfache Lösung, um dies zu verwirklichen sieht vor, dass das Konverterelement ein den Laserstrahl in sich selbst zurückreflektierendes Tripelprisma umfasst.
Alternativ dazu sieht eine andere Lösung vor, dass das Konverterelement den energieübertragenden Laserstrahl nach Reflexion an mehreren reflektierenden Flächen durch die letzte Konversionseinheit im Wesentlichen vollständig absorbiert. In diesem Fall ist ebenfalls in einfacher Weise die Lasersicherheit gewährleistet.
Hinsichtlich der Ausbildung der Zieleinrichtung wurden im Zusammenhang mit den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Zieleinrichtung eine Zielsteuerung umfasst, welche die Ausrichtung des energieübertragenden Laserstrahls relativ zur energieempfangenden Einheit steuert.
Mit dieser Zielsteuerung ist vorzugsweise sichergestellt, dass die Lasersicherheit gewährleistet ist, insbesondere das der energieübertragende Laserstrahl nicht andere, nicht zur Energieübertragung vorgesehene Objekte trifft.
Ferner sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass die Zieleinrichtung eine Zielerfassungseinheit aufweist, welche eine Position eines für den energieübertragenden Laserstrahl vorgesehenen Auftreffbereichs der energieempfangenden Einheit umfasst.
Mit einer derartigen Zielerfassungseinheit lässt sich sicherstellen, dass der Laserstrahl stets auf dem Auftreffbereich der energieempfangenden Einheit auftrifft und nicht andere Objekte trifft.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Zieleinrichtung ein Auftreffen des energieübertragenden Laserstrahls auf einem Auftreffbereich der energieempfangenden Einheit erfasst und ein Austritt des energieübertragenden Laserstrahls aus der energieaussendenden Einheit unterbindet, wenn der energieübertragende Laserstrahl nicht auf dem Auftreffbereich auftrifft.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems;
2 eine ausschnittsweise Darstellung eines Konverters eines ersten Ausführungsbeispiels;
3 einen Schnitt längs Linie 3-3 in 2;
4 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters;
5 einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters;
6 eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Konverters;
7 eine Darstellung des vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Konverters gemäß 6 aus einer anderen Blickrichtung;
8 eine Darstellung eines Strahlungsverlaufs in dem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters und
9 einen Schnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters.
Ein erfindungsgemäßes optisches Energieübertragungssystem, in 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet, umfasst eine als Ganzes mit 12 bezeichnete, die optische Energie oder optische Leistung aussendende Einheit und eine als Ganzes mit 14 bezeichnete, die optische Energie oder Leistung energieempfangende Einheit.
Die energieaussendende Einheit 12 umfasst ihrerseits eine hochenergetische Laserstrahlungsquelle 20 mit einer Austrittsblende 22, welche einen Laserstrahl 24 erzeugt, der beispielsweise von einem Umlenkspiegel 26 einer als Ganzes mit 28 bezeichneten Zieleinrichtung umgelenkt wird und sich als energieübertragender Laserstrahl 30 ausgehend von der energieaussendenden Einheit 12 in Richtung der energieempfangenden Einheit 14 ausbreitet.
Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, zur Ausrichtung des Laserstrahls 30 die gesamte Laserstrahlungsquelle 20 oder beispielsweise bei einem Faserlaser nur eine Komponente der Laserstrahlungsquelle 20 aus welcher der Laserstrahl 30 austritt ausrichtbar anzuordnen.
Die Zieleinrichtung 28 umfasst ihrerseits noch eine Zielsteuerung 32, welche die Position des Umlenkspiegels 26 steuert, um den energieübertragenden Laserstrahl 30 an der gewünschten Stelle der energieempfangenden Einheit 14 auftreffen zu lassen.
Hierzu umfasst die Zielsteuerung 32 vorzugsweise noch eine Zielerfassungseinheit 34, welche innerhalb eines Erfassungsbereiches 36 die Lage eines Auftreffbereichs 38 der energieempfangenden Einheit 14 ermittelt, auf welchen der energieübertragende Laserstrahl 30 auftreten soll.
Beispielsweise arbeitet die Zielerfassungseinheit 34 entweder mittels optischer Abtastung des Erfassungsbereichs 26 zur Erkennung des Auftreffbereichs 38 oder mittels optischer und/oder elektronischer oder elektromagnetischer Abtastung des Erfassungsbereichs 36, um die Lage des Auftreffbereichs 38 innerhalb des Erfassungsbereichs 36 exakt zu erfassen.
Nach exakter Erfassung der Lage des Auftreffbereichs 38 relativ zur energieaussendenden Einheit 12 erfolgt durch die Zielsteuerung 32 das Ausrichten des energieübertragenden Laserstrahls 30 im Raum mittels des in allen Raumrichtungen bewegbaren Umlenkspiegels 26 derart, dass der energieübertragende Laserstrahl 30 innerhalb des Auftreffbereichs 38 der energieempfangenden Einheit 14 auftrifft.
Ferner erfasst bei einer Variante der Zieleinrichtung 28 die Zielerfassungseinheit 34, ob der energieübertragende Laserstrahl 30 tatsächlich auf dem Auftreffbereich 38 auftrifft, beispielsweise durch Rückreflexion des Laserstrahls 30 vom Auftreffbereich 38 oder durch vom Laserstrahl 30 induzierte sekundäre Emission von Strahlung aus dem Auftreffbereich 38.
Wird bei dieser Variante der Zieleinrichtung 28 ein Auftreffen des energieübertragenden Laserstrahls 30 auf dem Auftreffbereich 38 erfasst, so wird von der Zieleinrichtung 28 entweder die Austrittsblende 22 geschlossen und/oder die Laserstrahlungsquelle 20 abgeschaltet oder dejustiert, so dass der energieübertragende Laserstrahl 30 aus der energieaussendenden Einheit 12 nicht mehr austreten kann.
In der energieempfangenden Einheit 14 wird der Auftreffbereich 38 gebildet durch eine Eintrittsöffnung 42 eines optisch/elektrischen Konverters 44, welcher die im energieübertragenden Laserstrahl 30 enthaltene Energie oder Leistung direkt in elektrische Energie umsetzt, so dass entweder unmittelbar durch den Konverter 44 oder eine Strom/Spannungs-Wandlereinheit 46 an einem elektrischen Anschluss 48 eine Spannung U zur Verfügung steht.
Der Konverter 44 kann dabei in unterschiedlichster Art und Weise ausgebildet sein.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters, dargestellt in 2, umfasst als Konverterelement ein als Ganzes mit 60 bezeichnetes Tripelprisma, welches gebildet ist durch drei, jeweils im Winkel von 90° zueinander verlaufende reflektierende Flächen 62 ₁, 62 ₂ und 62 ₃, die sich in einem Eckpunkt 64 schneiden.
Von einem derartigen Tripelprisma 60 wird der einfallende Abschnitt 30e des energieübertragenden Laserstrahls 30, wenn er auf die reflektierende Fläche 62 ₁ trifft, zunächst als erster reflektierter Abschnitt 30 _r1 auf die reflektierende Fläche 62 ₂ reflektiert und von dieser als zweiter reflektierter Abschnitt 30 _r2 dort auf die reflektierende Fläche 62 ₃ reflektiert und tritt dann nach einem dreidimensionalen Verlauf im Tripelprisma 60 als ausfallender Laserstrahl 66 wieder aus dem Tripelprisma 60 aus, wobei das wesentliche Charakteristikum des Tripelprismas 60 das ist, dass der austretende Laserstrahl 66 parallel zum einfallenden Abschnitt 30 _e des energieübertragenden Laserstrahls 30 ausgerichtet ist, jedoch in entgegengesetzter Richtung verläuft.
Wie in 3 dargestellt, wird jede der reflektierenden Flächen 62 des Tripelprismas 60 durch ein photovoltaisches Element 70 gebildet, dessen Strahlungseinfallsfläche 72 entweder unmittelbar die reflektierende Fläche 62 bildet oder noch mit einer Beschichtung 74 versehen ist, welche die reflektierende Fläche 62 bildet.
Die reflektierende Fläche 62 ist keine vollständig reflektierende Fläche, sondern eine teilreflektierende Fläche, so dass ein Teil der Energie oder Leistung des energieübertragenden Laserstrahls 30 durch das photovoltaische Element 70 absorbiert wird und in diesem einen Strom erzeugt, welcher über elektrische Anschlüsse 76 des photovoltaischen Elements 70 fließen kann.
Das photovoltaische Element 70 mit seiner Strahlungseinfallsfläche 72 und der gegebenenfalls die Reflexion mitbestimmenden Beschichtung 74 bildet somit eine Konversionseinheit 80 für den energieübertragenden Laserstrahl 30, die einen signifikanten Teil der Energie des auftreffenden energieübertragenden Laserstrahls 30 absorbiert und direkt in elektrische Energie umsetzt.
Wird beispielsweise von der Konversionseinheit 80 die Hälfte der Energie des auftreffenden Laserstrahls 30 absorbiert, und die andere Hälfte reflektiert, so trifft der erste reflektierte Abschnitt 30 _r1 des energieübertragenden Laserstrahls 30 mit einer um die Hälfte reduzierten Energie auf die reflektierende Fläche 62 ₂ auf.
Wird die reflektierende Fläche 62 ₂ von einer Konversionseinheit 80 ₂ gebildet, die in gleicher Weise ausgebildet ist wie die Konversionseinheit 80 ₁ und denselben Reflexionsgrad aufweist, so wird wiederum von dem ersten reflektierten Abschnitt 30 _r1 des energieübertragenden Laserstrahls 30 die Hälfte der Energie absorbiert und die Hälfte reflektiert, so dass der wiederum zweite reflektierte Abschnitt 30 _r2 des energieübertragenden Laserstrahls 30 eine Energie aufweist, die nur noch ein Viertel der Energie beträgt, die der einfallende Abschnitt 30 _e des energieübertragenden Laserstrahls 30 ursprünglich vor dem Auftreffen auf den Konverter 44 hatte.
Wird auch die reflektierende Fläche 62 ₃ durch eine Konversionseinheit 80 ₃ gebildet, die in gleicher Weise aufgebaut ist wie die reflektierende Einheit 80 ₁, so wird wiederum die Hälfte der Energie des zweiten reflektierten Abschnitts 30 _r2 des energieübertragenden Laserstrahls 30 absorbiert und die andere Hälfte reflektiert, so dass der ausfallende Abschnitt 66 des energieübertragenden Laserstrahls 30 noch die Energie von einem Achtel der Energie des einfallenden Abschnitt 30 _e des energieübertragenden Laserstrahls 30 aufweist.
Wird jedoch der Reflexionsgrad der reflektierenden Einheiten 80 ₁ bis 80 ₃ reduziert, beispielsweise auf ein Drittel, so reduziert sich weiterhin auch die Energie des ausfallenden Laserstrahls 66 in Relation zum einfallenden Abschnitt 30 _e des energieübertragenden Laserstrahls 30.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konverters 44 mit entsprechend dem Tripelprisma 60 angeordneten Reflexionsflächen 62 besteht auch die Möglichkeit, den energieübertragenden Laserstrahl 30 so auszurichten, dass dieser exakt mit seiner Mittelachse auf den Eckpunkt 64 trifft, so dass in diesem Fall die gleichen Verhältnisse vorliegen, jedoch jede der reflektierenden Flächen 62 von einem Teil des einfallenden Abschnitts 30 _e des energieübertragenden Laserstrahls 30 unmittelbar beaufschlagt wird und wiederum diesen Teil dann weiter reflektiert wird auf die weiteren reflektierenden Flächen 62, so dass sich jeder Teil des energieübertragenden Laserstrahls 30 wiederum nach dreifacher Reflexion als ausfallender Abschnitt 66 des Laserstrahls 30 parallel zum einfallenden Abschnitt 30 _e des energieübertragenden Laserstrahls 30 ausbreitet.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 wird der Auftreffbereich 38 definiert durch die Eintrittsöffnung 42 eines einzigen Tripelprismas 60, so dass seitens der Zielerfassungseinheit 34 und der Zielsteuerung 32 eine exakte Ausrichtung des energieübertragenden Laserstrahls 30 relativ zur energieempfangenden Einheit 14 erfolgen muss.
Um die Anforderungen an die Zielsteuerung 32 geringer zu halten, besteht aber auch die Möglichkeit, den Auftreffbereich 38 dadurch zu vergrößern, dass dieser durch eine Vielzahl von Eintrittsöffnungen 42 ₁ bis 42 _n von Tripelprismen 60 ₁ bis 60 _n gebildet wird, die alle in zwei Dimensionen unmittelbar aneinander anschließend an eine Fläche FP und mit gleicher Ausrichtung zu dieser angeordnet sind, so dass unabhängig davon, welches der als Konverterelemente dienenden Tripelprismen 60 ₁ bis 60 _n von dem energieübertragenden Laserstrahl 30 beaufschlagt wird, stets die Möglichkeit besteht, die Energie des energieübertragenden Laserstrahls 30 mit derselben Effizienz umzuwandeln.
Das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konverters 44' lässt sich beispielsweise einsetzen, wenn ein großflächiger Konverter 44' mit entsprechend großem Auftreffbereich 38' zur Verfügung stehen soll, um beispielsweise die Anforderungen an die Zielsteuerung 32 und die Zielerfassungseinheit 34 nicht allzu groß werden zu lassen.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters 44" ist eine Anordnung von Konversionseinheiten 80 in einem Konverterelement vorgesehen, wobei beispielsweise der einfallende Abschnitt 30 _e des energieübertragenden Laserstrahls 30 auf eine erste reflektierende Fläche 92 ₁ trifft, dann in Form eines ersten reflektierten Abschnitts 30 _r1 auf eine zweite reflektierende Fläche 92 ₂ trifft, dann in Form eines zweiten reflektierten Abschnitts 30 _r2 auf eine dritte reflektierende Fläche 92 ₃ schließlich in Form eines dritten reflektierenden Abschnitts 30 _r3 auf eine vierte reflektierende Fläche 92 ₄ auftritt, wobei beispielsweise alle diese Flächen ebene reflektierende Flächen sind, und schließlich in Form eines vierten reflektierten Abschnitts 30 _r4 auf ein Tripelprisma 60" auftrifft, welches die reflektierenden Flächen 92 ₅, 92 ₆ und 92 ₇ aufweist.
Allen reflektierenden Flächen 92 ₁ bis 92 ₇ sind dabei Konversionseinheiten 80 ₁ bis 80 ₇ zugeordnet, wie sie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert wurden.
Das Tripelprisma 60" bewirkt, dass der insgesamt vor Auftreffen auf dem Tripelprisma 60" mehrfach reflektierte energieübertragende Laserstrahl 30 durch dieses Tripelprisma 60" zurückreflektiert wird auf die reflektierenden Flächen 92 ₄, 92 ₃, 92 ₂ und 92 ₁ und dann als ausfallender Abschnitt 66 den Konverter 44" wiederum verlässt, allerdings mit einer Energie die signifikant niedriger ist als die Energie des einfallenden energieübertragenden Laserstrahls 30.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel ist es aber auch möglich, lediglich bei einigen, nicht bei allen reflektierenden Flächen 92 ₁ bis 92 ₄ durch eine Konversionseinheit 80 die direkte Wandlung von optischer Energie in elektrische Energie durchführen, mit einem photovoltaischen Element 70 zu realisieren, und in den Fällen, in denen eine Reflexion zur Strahlumlenkung erforderlich ist, eine oder mehrere der reflektierenden Flächen 92 als voll reflektierende Flächen auszubilden.
Um die Energie des energieübertragenden Laserstrahls 30 möglichst weitgehend bis zum Auftreffen auf das Tripelrprisma 60" zu reduzieren, können die Transmissionen und Reflexion der Beschichtungen 74 der einzelnen Konversionseinheiten 80 variieren.
Beispielsweise lässt sich bei der Konversionseinheit 80 ₁ die Reflexion so einstellen, dass ein Fünftel der Energie des einfallenden Abschnitts 30 _e des energieübertragenden Laserstrahls 30 absorbiert wird, bei der Konversionseinheit 80 ₂ lässt sich die Reflexion so einstellen, dass ein Viertel der Energie des reflektierten Abschnitts 30 _r1 absorbiert wird, bei der Konversionseinheit 80 ₃ ist die Beschichtung 74 so eingestellt, dass ein Drittel der Energie des reflektierten Abschnitts 30 _r2 absorbiert wird, bei der Konversionseinheit 80 ₄ ist die Beschichtung 74 so eingestellt, dass die Hälfte der Energie des reflektierten Abschnitts 30 _r3 absorbiert wird und bei allen Konversionseinheiten 80 ₅ bis 80 ₇ ist die Beschichtung 74 so ausgebildet, dass die gesamte noch vorhandene Energie im reflektierten Abschnitt 30 _r4 von den Konversionseinheiten 80 ₅ bis 80 ₇ absorbiert wird, so dass von dem Tripelprisma 60" zurücklaufende Laserstrahl 30 im Wesentlichen keine Energie mehr aufweist.
Ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters 44"' ist in den 6 und 7 dargestellt.
Dabei wird der Konverter 44"' gebildet durch eine räumliche Anordnung von reflektierenden Flächen 102 in einem Konverterelement 100, die in kompakter Weise beispielsweise in einer einem Würfel W entsprechenden Außengeometrie angeordnet sind, wobei der Würfel aus acht Unterwürfeln UW zusammengesetzt ist und die reflektierenden Flächen 102 entsprechend diagonalen Flächen der Unterwürfel angeordnet sind.
Die acht Unterwürfel UW₁ bis UW₈ gleicher Größe sind wie folgt angeordnet.
Es wird eine erste auf einer Grundfläche G liegende Unterwürfelschicht, umfassend die Unterwürfel UW₁, UW₂, UW₃ und UW₄, gebildet, die alle innerhalb der quadratischen Außengeometrie in einer Folge entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn aneinander angrenzend angeordnet sind. Auf dieser Unterwürfelschicht aus den Unterwürfeln UW₁ bis UW₄ liegt eine zweite Unterwürfelschicht aus den Unterwürfeln UW₅ bis UW₈ die ebenfalls innerhalb der quadratischen Außengeometrie und in einer Folge entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn aneinandergrenzend angeordnet sind, wobei der Unterwürfel UW₅ auf dem Unterwürfel UW₁, der Unterwürfel UW₆ auf dem Unterwürfel UW₄, der Unterwürfel UW₇ auf dem Unterwürfel UW₃ und der Unterwürfel UW₈ auf dem Unterwürfel UW₄ liegt.
Die Unterwürfel UW₂ und UW₆ sind mit einer durch beide Unterwürfel UW₂ und UW₆ hindurchgehenden Reflexionsebene RE₁ versehen, die entlang derselben Diagonale beider Unterwürfel UW₂ und UW₆ verläuft und sich parallel zu einer ersten Reflektorrichtung RR₁ erstreckt.
Außerdem sind die Unterwürfel UW₃ und UW₇ mit einer durch beide Unterwürfel UW₃ und UW₇ hindurchgehenden Reflexionsebene RE₂ versehen, die ebenfalls parallel zur ersten Reflektorrichtung RR₁ und entlang derselben Diagonale der Unterwürfel UW₃ und UW₇ sowie senkrecht zur Reflexionsebene RE₁ verläuft, wobei die Reflexionsebenen RE₁ und RE₂ den Unterwürfeln UW₁ und UW₄ sowie UW₅ und UW₈ zugewandt sind.
Ferner sind die Unterwürfel UW₈ und UW₅ mit einer Reflexionsebene RE₃ versehen, die sich entlang einer gemeinsamen Diagonalen dieser Unterwürfel UW₈ und UW₅ parallel zu einer Reflektorrichtung RR₂ verläuft, die ihrerseits wiederum senkrecht zur Reflektorrichtung RR₁ verläuft.
Der Unterwürfel UW₄ ist mit einer Reflexionsebene RE₃ versehen, die parallel zur Reflektorrichtung RR₂ und zu einer Diagonale des Unterwürfels UW₄ und senkrecht zu der Reflexionsebene RE₄ verläuft, wobei die Reflexionsebene RE₃ den Unterwürfeln UW₃ und UW₇ zugewandt ist und die Reflexionsebene RE₄ den Unterwürfeln UW₂ und UW₃ sowie UW₆ und UW₇ zugewandt ist.
Ein den ersten Unterwürfel UW₁ mit seiner optischen Achse mittig durchsetzender einfallender energieübertragender Laserstrahl 30 passiert den Unterwürfel UW₁ ohne Reflexion und trifft auf die erste reflektierende Fläche 102 ₁, die in der Reflexionsebene RE₁ im Unterwürfel UW₂ liegt.
Von dieser reflektierenden Fläche 102 ₁ wird der Laserstrahl 30 als in Form des ersten reflektierenden Abschnitts 30 _r1 auf die zweite reflektierende Fläche 102 ₂ in der Reflexionsebene RE₂ reflektiert, die im Unterwürfel UW₃ liegt und den Laserstrahl 30 in Form des zweiten reflektierten Abschnitts 30 _r2 auf die dritte reflektierende Fläche 102 ₃ in der Reflexionsebene RE₃ reflektiert, die im Unterwürfel UW₄ liegt, wobei diese wiederum den Laserstrahl 30 in Form des dritten reflektierten Abschnitts 30 _r3 auf die in der Reflexionsebene RE₄ liegende vierte Reflexionsfläche 102 ₄ reflektiert, die den Laserstrahl 30 in Form des vierten reflektierten Abschnitts 30 _r4 wiederum auf die fünfte reflektierende Fläche 102 ₅ reflektiert, welche in der Reflexionsebene RE₂ liegt. Von dort erfolgt wiederum eine Reflexion des Laserstrahls 30 in Form des fünften reflektierten Abschnitts 30 _r5 auf die reflektierende Fläche 102 ₆, die in der Reflexionsebene RE₁ im Unterwürfel UW₆ liegt und von dieser erfolgt eine Reflexion des Laserstrahls 30 in Form des sechsten reflektierten Abschnitts 30 _r6 auf die reflektierende Fläche 102 ₇, die in der Reflexionsebene RE₄ im Unterwürfel UW₅ liegt. Von dieser erfolgt eine Reflexion des Laserstrahls 30 in Form des siebten reflektierten Abschnitts 30 _r7 auf eine Endfläche 102 ₈ die im Unterwürfel UW₁ liegt und mit der Grundfläche G zusammenfällt.
Alle reflektierenden Flächen 102 ₁ bis 102 ₈ werden durch eine Konversionseinheit 80 gebildet, wie sie im Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, die Reflektivität von Konversionseinheit 80 zur Konversionseinheit 80 zu variieren, so dass beispielsweise die Beschichtung 74 so eingestellt ist, dass von der der reflektierenden Fläche 102 ₁ zugeordneten Konversionseinheit 186 ein Achtel der Energie des einfallenden energieübertragenden Laserstrahls 30 absorbiert wird, während von der der reflektierenden Fläche 102 ₂ zugeordneten reflektierenden Einheit 80 ein Siebtel der Energie des Laserstrahls 30 absorbiert wird.
Allgemein lässt sich hierzu die folgende Reihe für die Absorption in der den aufeinanderfolgenden reflektierenden Flächen 102 zugeordneten Konversionseinheiten 80 aufstellen. Der Absorptionsgrad der einzelnen aufeinanderfolgenden Konversionseinheiten 80 ergibt folgende Reihe 1/n, 1/(n – 1) ..., 1/2, 1 wobei n die Zahl der von dem energieübertragenden Laserstrahl 30 beaufschlagten Konversionseinheiten 80 darstellt.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters 44"", dargestellt in 9, erfolgt in einem Konverterelement 110 eine Aufteilung des einfallenden energieübertragenden Laserstrahls 30 auf zwei Zellen 110a und 110b, von denen jede eine erste reflektierende Fläche 112a ₁ und 112b ₁ aufweist, die in einem Winkel von 45° zu einer Ausbreitungsrichtung des einfallenden energieübertragenden Laserstrahls 30 stehen.
Diese erste reflektierende Fläche 112a ₁ und 112b ₁ reflektiert jeweils des einfallenden Abschnitt 30 _e des energieübertragenden Laserstrahls 30 auf eine zweite reflektierende Fläche 112a ₂ bzw. 112b ₂, die parallel zur ersten reflektierenden Fläche 112a ₁ bzw. 112b ₁ verläuft, jedoch gegenüber dieser versetzt angeordnet ist.
Die zweite reflektierende Fläche 112a ₂ bzw. 112b ₂ reflektiert den in diese einfallenden ersten reflektierten Abschnitt 30 _r1 des Laserstrahls 30 als zweiten reflektierten Abschnitt 30 _r2 auf eine dritte reflektierende Fläche 112a ₃ bzw. 112b ₃ und diese reflektiert den in diese einfallenden zweiten reflektierten Abschnitt 30 _r2 als dritten reflektierten Abschnitt 30 _r3 auf eine vierte reflektierende Fläche 112a ₄ bzw. 112b ₄, die wiederum parallel zur zweiten reflektierenden Fläche 112a ₂ bzw. 112b ₂ angeordnet ist und ihrerseits den dritten einfallenden Abschnitt 30 _r3 als vierten reflektierten Abschnitt 30 _r4 auf eine vierte reflektierende Fläche 112a ₅ bzw. 112b ₅ reflektiert, die auf einer Rückseite der jeweiligen ersten reflektierenden Fläche 112a ₁ bzw. 112b ₁ angeordnet ist und den vierten reflektierten Abschnitt 30 _r4 als Abschnitt 30 ₅ auf die Fläche 112a ₆ bzw. 112b ₆ reflektiert, die ihrerseits entweder vollständig den fünften reflektierten Abschnitt 30 ₅ absorbiert oder gegebenenfalls noch reflektiert.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird jede der reflektierenden Flächen 112 durch eine Konversionseinheit 80 gebildet, deren Beschichtung 74 einen Teil der Energie des Laserstrahls 30 reflektiert und einen Teil der Energie des Laserstrahls 30 in das photovoltaische Element 70 eintreten lässt, um diesen direkt die optische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Vorzugsweise sind bei dem fünften Ausführungsbeispiel alle reflektierenden Flächen 112a ₁ bis 112a ₅ oder 112b ₁ bis 112b ₅ im Winkel von 45° zur Ausbreitungsrichtung des einfallenden energieübertragenden Laserstrahls 30 angeordnet, wobei die reflektierenden Flächen 112a ₁ und 112a ₅ sowie 112b ₁ und 112b ₅ rückseitig aneinanderliegen und relativ zu den reflektierenden Flächen 112a ₂ und 112a ₄, bzw. 112b ₂ und 112b ₄, die parallel zu den reflektierenden Flächen 112a ₁und 112a ₅ bzw. 112b ₁ und 112b ₅ verlaufen, so versetzt sind, dass die reflektierenden Flächen 112a ₂ und 112b ₂ den einfallenden energieübertragenden Laserstrahl 30 mit seinem gesamten Strahldurchmesser D ungehindert auf die reflektierenden Flächen 112a ₁ und 112b ₁ auftreffen lassen, andererseits jedoch den von den reflektierenden Flächen 112a ₁ und 112b ₁ reflektierten Abschnitt 30 _r1 mit vollem Querschnitt auf die reflektierende Fläche 112a ₃ bzw. 112b ₃ reflektieren, die senkrecht zu den reflektierenden Flächen 112a ₁ und 112b ₂ verlaufen. Die reflektierenden Flächen 112a ₃ und 112b ₃ verlaufen ihrerseits wiederum senkrecht zu den reflektierenden Flächen 112a ₄ und 112b ₄, so dass diese wiederum den reflektierten Abschnitt 30 ₃ mit vollem Querschnitt weiterreflektieren auf die reflektierenden Flächen 112a ₅ bzw. 112b ₅.
Bei einer Variante des fünften Ausführungsbeispiels gemäß 9 besteht aber auch die Möglichkeit, die reflektierenden Flächen 112a ₆ und 112b ₆ wegzulassen, so dass der reflektierte Abschnitt 30 _r5 von der Zelle 110a bzw. 110b die jeweils andere Zelle 110b bzw. 110a übertreten kann und diese in umgekehrter Richtung durchlaufen kann.

Claims

Optisches Energieübertragungssystem (10), umfassend eine energieaussendende Einheit (12), die eine Laserstrahlungsquelle (22) zur Erzeugung eines energieübertragenden Laserstrahls (30) sowie eine Zieleinrichtung (28) zur Ausrichtung des energieübertragenden Laserstrahls (30) relativ zu einer vom Energieübertragungssystem umfassten energieempfangenden Einheit (14) aufweist, welche einen optisch/elektrischen Konverter (44) umfasst, der die Energie des energieübertragenden Laserstrahls (30) direkt in elektrische Energie umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (44) mindestens ein Konverterelement (60, 90, 100, 110) mit mehreren den auf diesem auftreffenden energieübertragenden Laserstrahl (30) reflektierenden Flächen (62, 92, 102, 112) aufweist, die relativ zueinander so angeordnet sind, dass der auftreffende energieübertragende Laserstrahl (30) von einer der reflektierenden Flächen (62, 92, 102, 112) zu einer anderen der reflektierenden Flächen (62, 92, 102, 112) umgelenkt wird und dass mindestens einige der reflektierenden Flächen (62, 92, 102, 112) durch jeweils eine Konversionseinheit (80) gebildet sind, welche den auftreffenden Laserstrahl (30) zum einen Teil reflektiert und zum anderen Teil in einem von der Konversionseinheit (80) umfassten photovoltaischen Element (70) absorbiert und dabei die optische Energie direkt in elektrische Energie umsetzt.
Energieübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Konversionseinheit (80) das photovoltaische Element (70) sowie eine auf einer Strahlungseintrittsfläche (72) des photovoltaischen Elements (70) angeordnete reflexionsbestimmende Beschichtung (74) aufweist.
Energieübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (44) so ausgebildet ist, dass der energieübertragende Laserstrahl (30) auf die erste reflektierende Fläche (62 ₁, 92 ₁, 102 ₁, 112 ₁) in einem Auftreffwinkel auftrifft, der 80° oder weniger beträgt.
Energieübertragungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Konversionseinheiten (80) eines Konverters (44) denselben Reflexions- und Absorptionsgrad aufweisen.
Energieübertragungssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Laserstrahl (30) aufeinanderfolgend beaufschlagten Konversionseinheiten (80) einen unterschiedlichen Reflexions- und Absorptionsgrad aufweisen.
Energieübertragungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den aufeinanderfolgend von dem energieübertragenden Laserstrahl (30) beaufschagten Konversionseinheiten (80) der Reflexionsgrad in der Reihenfolge der Beaufschlagung derselben durch den energieübertragenden Laserstrahl (30) abnimmt und der Absorptionsgrad zunimmt.
Energieübertragungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Flächen (62, 92, 102, 112) den energieübertragenden Laserstrahl (30) so reflektieren, dass dieser insgesamt in zwei Raumrichtungen in dem Konverterelement (60, 90, 100, 110) verläuft.
Energieübertragungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Flächen (62, 92, 102, 112) den energieübertragenden Laserstrahl (30) so reflektieren, dass dieser insgesamt in drei Raumrichtungen in dem Konverterelement (60, 90, 100, 110) verläuft.
Energieübertragungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Flächen (62, 92, 102, 112) des Konverterelements (60, 90, 100, 110) in einem Winkel im Bereich zwischen 40° und 50° zu dem jeweils auf diese auftreffenden Abschnitt (30 ₁ bis 30 _n) des Laserstrahls (30) verlaufen.
Energieübertragungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konverterelement (60, 90) so aufgebaut ist, dass dieses den energieübertragenden Laserstrahl (30) nach Reflexion an mehreren reflektierenden Flächen (62, 92) in sich selbst zurückreflektiert.
Energieübertragungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Konverterelement (60, 90) ein den Laserstrahl (30) in sich selbst zurückreflektierendes Tripelprisma (60) umfasst.
Energieübertragungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konverterelement (100, 110) den Laserstrahl (30) nach Reflexion an mehreren reflektierenden Flächen (102, 112) durch die letzte Konversionseinheit (80) im Wesentlichen vollständig absorbiert.
Energieübertragungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieleinrichtung (28) eine Zielsteuerung (32) umfasst, welche die Ausrichtung des energieübertragenden Laserstrahls (30) relativ zu der energieempfangenden Einheit (14) steuert.
Energieübertragungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieleinrichtung (28) eine Zielerfassungseinheit (34) aufweist, welche eine Position eines für den energieübertragenden Laserstrahl (30) vorgesehenen Auftreffbereichs (38) der energieempfangenden Einheit (14) erfasst.
Energieübertragungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielerfassungseinheit (34) innerhalb eines räumlichen Erfassungsbereichs (36) die Position des Auftreffbereichs (38) erfasst.
Energieübertragungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieleinrichtung (28) ein Auftreffen des energieübertragenden Laserstrahls (30) auf einem Auftreffbereich (38) der energieempfangenden Einheit (14) erfasst und einen Austritt des energieübertragenden Laserstrahls (30) aus der energieaussendenden Einheit (12) unterbindet, wenn der energieübertragende Laserstrahl (30) nicht auf dem Auftreffbereich (38) auftrifft.