Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum photothermischen Beheizen eines Wärmeenergiewandlers mit einer lichtdurchlässigen Kollektoröffnung, einer thermischen Kontaktstelle des Wärmeenergiewandlers sowie einem zwischenliegenden optischen Element.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum photothermischen Beheizen von thermoelektrischen Generatoren als Wärmeenergiewandler bekannt, bei denen Sonnenlicht genutzt wird, um die heiße Seite eines Seebeck-Elements aufzuheizen und durch die Temperaturdifferenz zur kalten Seiten mittels des Seebeck-Effekts Strom zu erzeugen. Die LIS20210202816A1 zeigt eine solche Vorrichtung, bei der ein Solarkonzentrator mittels optischer Elemente, wie beispielsweise Spiegel oder Linsen, Sonnenlicht direkt auf die heiße Seite lenkt, Infrarotstrahlung auf einen Wärmekollektor bündelt oder in ein Glasfaserkabel einkoppelt. Die im Wärmekollektor gesammelte Wärme wird zum Erhitzen von Luft genutzt, mit der die heiße Seite des Seebeck-Elements zur Stromerzeugung erhitzt wird. Alternativ kann das gesammelte Licht in das Glasfaserkabel eingekoppelt und auf die heiße Seite gelenkt werden.

Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass sich jede der oben beschriebenen Heizmethoden nur für einen Frequenzbereich effizient nutzen lässt und die im komplementären Frequenzbereich enthaltene Energie zum größten Teil nicht effizient nutzen lässt, sobald das Licht in das jeweilige Wärmemedium eingespeist wurde. Aus diesem Grund offenbart die US20210202816A1 zwar viele verschiedene Ausführungsformen, allerdings keine Möglichkeit, aus mehreren Frequenzbereichen effizient Energie zu gewinnen. So wird beispielsweise beim Heizen eines Wärmereservoirs der niederfrequente Infrarot- Anteil des Sonnenlichts besser genutzt als der hochfrequente Anteil, umgekehrt verhält es sich beim Einkoppeln in ein Glasfaserkabel. Weiterer Energieverlust entsteht durch das Aufheizen und den Transport der Luft als Wärmeträgermedium.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv einfachen Mitteln und unter möglichst geringem Energieverlust gleichzeitig die Energie mehrerer Frequenzbereiche mit an den jeweiligen Frequenzbereich angepasster Weise zu entnehmen, und dabei gegenseitige Beeinträchtigungen der Energieentnahme zu minimieren.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass an die Kollektoröffnung entlang einer Hauptausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts ein Innenraum anschließt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung verlaufenden thermischen Kontaktstelle begrenzt wird und in dem das von einem Wärmespeicher zumindest abschnittsweise umgebene, das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle hin reflektierende und teilweise in den Wärmespeicher transmittierende optische Element angeordnet ist. Zufolge dieser Maßnahmen dringt das Licht über die Kollektoröffnung entlang der Hauptausbreitungsrichtung in die Vorrichtung ein und trifft auf das optische Element, dass aufgrund seines Materials und seiner Anordnung im optischen Pfad den hochfrequenten Anteil des Lichts zur thermischen Kontaktstelle reflektiert wird, während der niederfrequente Anteil des Lichts in den Wärmespeicher transmittiert wird. Der hochfrequente Anteil trifft nach der Reflexion auf die thermische Kontaktstelle, wo die im Licht gespeicherte Energie in Form von Wärme an die thermische Kontaktstelle abgegeben wird. Da sich die Richtung des hochfrequenten Anteils beim Auftreffen auf das optische Element durch Beugung, Brechung, Reflexion etc. bezüglich zur Hauptausbreitungsrichtung stärker ändert als beim niederfrequenten Anteil, verläuft die thermische Kontaktstelle in Hauptausbreitungsrichtung, da so der Wirkungsquerschnitt der thermischen Kontaktstelle im optischen Pfad des hochfrequenten Lichts erhöht wird. Vorzugsweise ist das optische Element so ausgestaltet, dass der auf die thermische Kontaktstelle reflektierte Anteil des Lichts beim Auftreffen auf die thermische Kontaktstelle gebündelt ist, um eine starke lokale Temperaturerhöhung herbeizuführen. Der niederfrequente Anteil des Lichts wird in den das optische Element umgebenden Wärmespeicher transmittiert, trifft auf diesen auf und gibt seine Energie an diesen als Wärmeenergie ab. Dadurch kann sowohl die thermische Kontaktstelle als auch das Wärmemedium auf die Energieaufnahme in einem Frequenzbereich optimiert sein, da das Licht des komplementären Frequenzbereichs vom jeweils anderen Element effizient aufgenommen wird. Der Wärmespeicher ist mit der thermischen Kontaktstelle thermisch leitend verbunden, sodass die im Wärmespeicher absorbierte Wärmeenergie an die thermische Kontaktstelle abgegeben werden kann. Da das Volumen des Wärmespeichers das Volumen der thermischen Kontaktstelle um ein Vielfaches übersteigt und der Wärmespeicher das optische Element umgibt, ist die Energieausbeute verglichen zum Stand der Technik erhöht. Es wird nämlich zusätzlich zur oben beschriebenen frequenzselektiven Energiegewinnung auch sowohl der hoch- als auch der niederfrequente Lichtanteil, der nicht auf die vorgesehene Weise Energie abgibt oder unerwünschter Weise durch Streuung, Reflektion, Beugung etc. über die Kollektoröffnung aus der Vorrichtung entweicht, zwangsläufig entweder in den Wärmespeicher transmittiert, auf die thermische Kontaktstelle reflektiert, oder von den Wänden des Innenraumes absorbiert und gibt so seine Energie an die Vorrichtung ab. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung liegt darin, dass der Wärmespeicher seine gespeicherte Wärmeenergie auch dann noch an die thermische Kontaktstelle abgibt, wenn kein Licht mehr durch die Kollektoröffnung strahlt und so der Wärmeenergiewandler auch in diesem Fall noch weiterbetrieben werden kann, weil die vom Wärmespeicher aufgenommene Wärmeenergie auch ohne einfallendes Licht an die thermische Kontaktstelle des Wärmeenergiewandlers abgegeben wird. Der Innenraum kann innerhalb eines kompakten Gehäuses angeordnet werden, das vorzugsweise nach außen hin thermisch isoliert ist. Das optische Element kann beispielsweise ein Prisma oder ein halbdurchlässiger Spiegel sein. Die Einteilung des einfallenden Lichtes in den hoch- und den niederfrequenten Anteil kann je nach Lichtquelle und den verwendeten Materialien erfolgen und muss keine absolute Einteilung darstellen, es kommt lediglich darauf an, dass der hochfrequente Anteil des Lichts in einem höheren Frequenzspektrum liegt als der niederfrequente. Es versteht sich dabei von selbst, dass es sich dabei nicht zwingenderweise ausschließlich um das für das menschliche Auge sichtbare Spektrum von Licht handelt, sondern erfindungsgemäß auch beispielsweise Infrarot- und Ultraviolettstrahlung in der Verwendung des Begriffes „Licht“ mitumfasst sind. Mit dem Begriff Wärmeenergiewandler ist jedwede Vorrichtung gemeint, die die mit der Vorrichtung gewonnene thermische Energie in eine andere Energieform umwandeln kann. Der Wärmeenergiewandler kann also beispielsweise ein thermoelektrischer Generator sein. Dieser thermoelektrische Generator kann ein Seebeck-Element sein, welches thermische in elektrische Energie umwandelt. Alternativ kann mit der thermischen Energie Dampf erzeugt und eine Turbine betrieben werden, sodass die thermische Energie in mechanische und optional in weiterer Folge in elektrische Energie umgewandelt wird.

Da das optische Element nicht zwangsläufig im optischen Pfad aller einfallenden Lichtstrahlen liegt, kann nur ein Teil des einfallenden Lichtes erfindungsgemäß reflektiert oder transmittiert werden. Um auch dem Teil des Lichtes, der nicht unmittelbar in das optische Element strahlt Energie zu entnehmen, wird vorgeschlagen, dass die Innenwand des Innenraums zumindest abschnittsweise reflektierend ausgebildet ist. Dadurch wird der nicht unmittelbar genutzte Anteil ohne Verwendung komplizierter optischer Elemente in den Innenraum zurückgeleitet und trifft dort außer bei unabsichtlicher Umleitung aus der Vorrichtung heraus entweder auf das optische Element, die thermische Kontaktstelle oder den Wärmespeicher und gibt dort Energie ab. Ein geringer Teil des nicht genutzten Anteils wird nicht an der Innenwand reflektiert, sondern von der Innenwand absorbiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist allerdings wenigstens die reflektierende Innenwand mit dem Wärmespeicher thermisch leitend verbunden, sodass diese absorbierte Energie ebenfalls dem Wärmespeicher zugeführt werden kann. Um einen möglichst großen Prozentsatz von dem nicht unmittelbar genutzten Anteil des Lichts zurückzureflektieren und dadurch nutzbar zu machen, wird vorgeschlagen, dass die freie Innenwand des Innenraumes reflektierend ausgebildet ist. Die freie Innenwand ist dabei die Innenwand, die nicht durch Einbauten wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle gebildet oder durch solche Einbauten abgeschattet wird. Diese freie Innenwand kann folglich mit der größtmöglichen Reflexionsfläche versehen werden, ohne andere Bauteile der Vorrichtung, wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle zu beeinträchtigen.

Die Vorrichtung kann in Hauptausbreitungsrichtung lichtdurchlässig ausgeführt sein, wenn der Kollektoröffnung in Hauptausbreitungsrichtung eine den Innenraum begrenzende Emitteröffnung gegenüberliegt. Zufolge dieser Maßnahmen kann ein in Hauptausbreitungsrichtung verlaufender Teil des Lichts die Vorrichtung passieren und wieder aus ihr austreten. Zwar vermindert dies den Wirkungsgrad der Energieentnahme, allerdings ermöglicht dies die Integration der Vorrichtung in transparenten Oberflächen, wie beispielsweise Glastüren, Fenstern oder Fassaden, sodass diese Oberflächen einer weiteren Nutzung zur Energiegewinnung zugeführt werden können. Darüber hinaus können auf diese Weise mehrere erfindungsgemäße Vorrichtung seriell hintereinandergeschaltet werden.

Es kann mehr Licht in die Vorrichtung gelenkt und dadurch der Wirkungsgrad erhöht werden, wenn die Kollektoröffnung eine Sammellinse für einfallendes Licht aufweist. Eine Sammellinse weist im Vergleich zu einer planaren Oberfläche desselben Querschnitts eine größere Oberfläche auf, über die das Licht in die Vorrichtung gelenkt werden kann. Außerdem kann der maximale Einfallswinkel des Lichts, das in die Vorrichtung gelenkt werden kann, mit der Apertur der Sammellinse beeinflusst werden. Da über eine Sammellinse der Strahlengang beeinflusst werden kann, kann das einfallende Licht bereits direkt auf das optische Element gerichtet werden. Bevorzugter Weise weist die Kollektoröffnung mehrere rasterförmig angeordnete Sammellinsen auf, sodass der Strahlengang des einfallenden Lichts weitgehend unabhängig von dem Ort, an dem das Licht auf die Kollektoröffnung trifft, festgelegt werden kann. Die Vorrichtung kann in Kombination mit dem Wärmeenergierwandler möglichst kompakt ausgeführt sein, wenn der Wärmeenergierwandler ein Seebeck-Element, bevorzugt mehrere Seebeck-Elemente, umfasst, dessen beheiztes Ende die thermische Kontaktstelle bilden oder thermisch leitend mit dieser verbunden. Üblicherweise weisen Seebeck-Elemente großflächige beheizte Enden bei geringen Dicken auf. Das beheizte Ende als thermische Kontaktstelle eines Seebeck-Elements bildet also bereits einen großen Einstrahlquerschnitt für das reflektierte Licht und kann damit ohne weitere Modifikationen einfach Energie aufnehmen. Die geringe, orthogonal zum beheizten Ende verlaufende Dicke des Seebeck-Elements ermöglicht dadurch eine kompakte Kombination aus Wärmeenergiewandler und der Vorrichtung. Ist das beheizte Ende des bzw, der Seebeck-Elemente thermisch leitend mit der thermischen Kontaktstelle verbunden, kann das Seebeck-Element bzw. die Seebeck Elemente außerhalb der Vorrichtung angeordnet und dementsprechend leichter austauschbar sein.

Das kalte Ende des Seebeck-Elements, bzw. der Seebeck Elemente kann je nach Anwendungsgebiet beispielsweise über Kühlrippen und/oder Ventilatoren gekühlt sein, oder mit der Erde als Kühlkörper verbunden sein. Klarstellend ist anzumerken, dass unter einem Seebeck-Element ein Wärmeenergiewandler verstanden wird, der den Seebeck-Effekt zur Gewinnung von elektrischem Strom aus einer Temperaturdifferenz nutzt und der ähnlich einem Peltier-Element aufgebaut sein kann. Da Seebeck-Elemente üblicherweise kompakt gebaut sind, empfiehlt es sich mehrere Seebeck-Elemente thermisch leitend mit der thermischen Kontaktstelle zu verbinden, um die Energieausbeute der Vorrichtung zu erhöhen.

Um neben der Energieumwandlung auch die Abwärme des Energieumwandlungsprozesses besser nutzen zu können und den Zeitraum, über den die gespeicherte Wärmeenergie abgegeben wird weiter zu erhöhen, kann der Wärmeenergiewandler ein Reservoir für ein Energieträgerfluid, welches mit der thermischen Kontaktstelle thermisch leitend verbunden ist, umfassen. Die auf die thermische Kontaktstelle übertragene Wärmeenergie wird über die thermische Leitung dem Energieträgerfluid und somit dem Reservoir zugeführt, welches sich erwärmt. Dieses erwärmte Energieträgerfluid dient bereits als Wärmespeicher, sodass auch dann noch Energie umgewandelt werden kann, wenn kein Lichteintrag in die Vorrichtung mehr stattfindet. Mit dem erwärmten Fluid kann in weiterer Folge beispielsweise eine Wärmekraftmaschine oder ein bzw. mehrere Seebeck-Elemente betrieben werden. Da naturgemäß bei der Umwandlung von thermischer in mechanischer Energie die zugeführte Wärme nicht vollständig in mechanische Energie umgewandelt werden kann, verbleibt ein Teil der zugeführten Wärme im Energieträgerfluid. Dieses kann allerdings im Gegensatz zu anderen Energiespeichern leicht transportiert werden, indem es beispielsweise durch Röhren gepumpt wird, womit mit dessen Abwärme beispielsweise eine Heizung betrieben werden kann. Im einfachsten Fall ist das Energieträgerfluid Wasser.

Um den Wirkungsgrad des Wärmeenergiewandlers bei der Verwendung eines Energieträgerfluids noch weiter zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass der Wärmeenergiewandler eine Dampfturbine umfasst. Zufolge dieser Maßnahmen kann das Energieträgerfluid über den Phasenübergang von flüssig auf gasförmig weiter erhitzt werden, wodurch die Energiedichte des Energieträgerfluids erhöht werden kann. Mit dem Gas kann in weiterer Folge eine Dampfturbine betrieben werden, wobei auch hier die Abwärme des Energieträgerfluids in beiden Aggregatzuständen weiter genutzt werden kann. Bevorzugter Weise wird auch hier Wasser als Energieträgerfluid verwendet.

Wie bereits erwähnt, kann die thermische Kontaktstelle mit der im Wärmespeicher gespeicherten Wärmeenergie auch dann noch beheizt werden, wenn kein Licht mehr durch die Kollektoröffnung strahlt. Der Zeitraum, über den die gespeicherte Wärmeenergie abgegeben wird kann weiter erhöht werden, wenn der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher ist. Da die dem Latentwärmespeicher zugeführte Wärmeenergie nicht nur für einen Temperaturanstieg sondern auch für einen Phasenübergang von einer Phase niedrigerer Energie auf eine Phase höherer Energie genutzt wird, kann ab einer gewissen Phasenübergangstemperatur in einem Übergangsbereich weiter Wärmeenergie zugeführt werden, ohne einen weiteren Temperaturanstieg zu bewirken. Wird keine Energie mehr über das Licht zugeführt, gibt der Latentwärmespeicher die Energie, die beim Übergang von der Phase höherer auf die Phase niedrigerer Energie frei wird, langsam ab, da sich der Phasenübergang und damit der Transfer der latenten Wärme auf die thermische Kontaktstelle über eine längere Zeit erstrecken kann.

Das eingestrahlte Licht kann besonders einfach in den niederfrequenten und den hochfrequenten Anteil aufgeteilt und entsprechend weitergeleitet werden, wenn das optische Element ein Prisma ist, das eine der Kollektoröffnung und eine der thermischen Kontaktstelle zugewandte Fläche aufweist. Dabei wird das dispersive Verhalten des Prismas ausgenutzt und das Licht kann durch ein simples und einfach herzustellendes optisches Element über den Einfallswinkel und den frequenzspezifischen Brechungsindex aufgeteilt werden. Weiters kann der Strahlengang über die Position des Prismas im Innenraum durch Versuch, Berechnung oder Simulation einfach optimiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Neigung des Prismas bezüglich der Haupteinfallsrichtung eingestellt werden. Dazu kann das Prisma drehbar gelagert sein. Vorzugsweise weist das Prisma eine dreieckige Grundfläche auf, wobei die weder der Kollektoröffnung noch der thermischen Kontaktfläche zugewandte Fläche schräg zur Hauptausbreitungsrichtung verläuft. Damit kann diese Fläche vorzugsweise der Emitteröffnung zugewandt sein.

Um keine gesonderten thermisch leitenden Bauteile zwischen Wärmespeicher und thermischer Kontaktstelle vorsehen zu müssen und um die Wärmespeicherkapazität zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass der freie Innenraum, das heißt der Innenraum mit Ausnahme des optischen Elements und etwaigen anderen Einbauten, vollständig mit dem Wärmespeicher ausgefüllt ist. Da zufolge diese Maßnahmen das größtmögliche Volumen des Innenraums mit Wärmespeicher ausgefüllt ist, kann klarerweise auch mehr Wärmeenergie gespeichert werden. Um dennoch auch aus dem hochfrequenten Anteil erfindungsgemäß möglichst viel Energie zu gewinnen, kann das optische Element bevorzugter Weise unmittelbar an die Kollektoröffnung und/oder an die thermische Kontaktstelle anschließen, damit der hochfrequente Anteil des Lichts auf die thermische Kontaktstelle reflektiert und nicht in den Wärmespeicher gelenkt wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wärmespeicher gewählt werden, dessen Material den hochfrequenten Anteil nur minimal in seinem Strahlengang und seiner Intensität beeinflusst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmespeicher lichtdurchlässig, sodass die Vorrichtung trotz des Wärmespeichers nach wie vor in Hauptausbreitungsrichtung lichtdurchlässig ist. Dazu kann im einfachsten Fall Wasser als Wärmespeicher verwendet werden. Dazu kann das Wasser in den Innenraum gefüllt und die Kollektor- sowie eine eventuell vorhandene Emitteröffnung mit lichtdurchlässigem Material, wie beispielsweise einer lichtdurchlässigen Kunststoffplatte, verschlossen werden. Im Falle eines lichtdurchlässigen Wärmespeichers kann auch das optische Element vollständig vom Wärmespeicher umgeben sein. Umfasst der Wärmeenergiewandler ein Reservoir für Wasser als Energieträgerfluid, kann dieses Reservoir mit dem Wärmespeicher fluidverbunden sein, sodass die Wärmeenergie nicht nur durch Wärmeleitung in das Energieträgerfluid eingespeist wird, sondern auch über Konvektion. Die entnehmbare Energiemenge des einfallenden Lichts bei konstanter Größe der Kollektoröffnung kann erhöht werden, indem mehrere Vorrichtungen zu einem Wärmekraftwerk kombiniert werden, bei dem die Emitteröffnung einer Vorrichtung an die Kollektoröffnung einer in Hauptausbreitungsrichtung nachgelagerten Vorrichtung anschließt. Die Innenräume der einzelnen Vorrichtungen des Wärmekraftwerksbilden dabei einen großen gemeinsamen Innenbereich, wobei das Licht unabhängig von der Anzahl der kombinierten Vorrichtungen und damit der Größe dieses Innenbereichs nur über die Kollektoröffnung der ersten und die Emitteröffnung der letzten Vorrichtung entweichen kann. Folglich steigt das Volumen des Innenbereichs bei der Kombination mehrerer Vorrichtungen, während die von der Kollektoröffnung und der Emitteröffnung beschränkte Austrittsfläche gleichbleibt. Durch die erfindungsgemäße Kombination mehrerer Vorrichtungen im Wärmekraftwerk kann also die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Lichts im Wärmekraftwerk, und damit die entnehmbare Energie erhöht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die

Aufenthaltswahrscheinlichkeit weiter erhöht werden, indem der letzten Vorrichtung im Wärmekraftwerkeine reflektierende oder absorbierende Wand nachgelagert ist, sodass das Licht das Wärmekraftwerk nicht über die letzte Emitteröffnung verlassen kann. In einer weiteren Ausführungsform können die optischen Elemente aufeinanderfolgender Vorrichtungen im Wärmekraftwerk ein voneinander abweichendes Brechungs-, Reflexions- bzw. Beugungsverhalten aufweisen, sodass in Hauptausbreitungsrichtung sukzessive immer niederfrequentere Anteile des einfallenden Lichtes auf die thermischen Kontaktstellen umgeleitet werden. Das Wärmekraftwerk kann beispielsweise ein thermoelektrisches Kraftwerk sein.

Wird zur Energieumwandlung ein Energieträgerfluid, wie beispielsweise Wasser, verwendet, empfiehlt es sich, dass die thermischen Kontaktstellen von wenigstens zwei Vorrichtungen mit einem gemeinsamen Reservoir für ein Energieträgerfluid thermisch leitend verbunden sind. Dadurch kann das Energieträgerfluid nicht nur gleichmäßiger, nämlich durch Konvektion innerhalb des Reservoirs, temperiert werden, sondern es werden auch Wärmeverluste minimiert, da ein gemeinsames Reservoir klarerweise weniger Oberfläche aufweist, über die Wärme ungenutzt abstrahlen kann, als mehrere kleine Reservoirs.

Kurze Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung einer ersten Ausführungsform mit ausgewählten Strahlengängen einfallender Lichtstrahlen,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein zwei, bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung hintereinander angeordnete Vorrichtungen der ersten Ausführungsform umfassendes Wärmekraftwerk,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform mit ausgewählten Strahlengängen einfallender Lichtstrahlen und Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch ein zwei, bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung hintereinander angeordnete Vorrichtungen der zweiten Ausführungsform umfassendes Wärmekraftwerk.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum photothermischen Beheizen eines Wärmeenergiewandlers umfasst eine lichtdurchlässige Kollektoröffnung 1 über die Licht entlang einer Hauptausbreitungsrichtung 2 in den an die Kollektoröffnung 1 anschließenden, von wenigstens einer thermischen Kontaktstelle 3 des Wärmeenergiewandlers begrenzten, Innenraum 4 strahlt. In dem Innenraum ist ein optisches Element 5, wie beispielsweise ein Prisma, angeordnet, welches von einem Wärmespeicher 6 zumindest abschnittsweise umgeben ist. Vorteilhafte Energiespeicherbedingungen ergeben sich weiters, wenn der freie Innenraum vollständig mit dem Wärmespeicher 6 ausgefüllt ist. Die thermische Kontaktstelle 3 nimmt Wärmeenergie für den Wärmeenergiewandler auf, der diese in eine andere Energieform umwandelt.

Das einfallende Licht ist aus mehreren Anteilen verschiedener Frequenzbereiche zusammengesetzt. Das optische Element 5 ist so beschaffen, dass der optische Pfad der Anteile des Lichts je nach Frequenz unterschiedlich ist. Ist das optische Element 5 beispielsweise wie in der Zeichnung gezeigt ein Prisma, ist das Transmissions- und Reflexionsverhalten der Anteile des Lichts an den Oberflächen des Prismas unterschiedlich, wie dies in den Strahlengängen 7 ersichtlich ist. Höherfrequente Anteile des Lichts werden erfindungsgemäß zur thermischen Kontaktstelle 3 reflektiert, wo diese Wärmeenergie an die thermische Kontaktstelle 3 abgeben. Der optische Pfad niederfrequenter Anteile wird bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung 2 weniger beeinflusst und in den Wärmespeicher 6 transmittiert, wo das Licht ebenfalls Wärmeenergie an den Wärmespeicher 6 abgibt. Der Wärmespeicher 6 ist mit der thermischen Kontaktstelle 3 thermisch leitend verbunden, sodass auch dieser die thermische Kontaktstelle 3 erwärmt um den Wärmeenergiewandler zu betreiben. Da nicht zwangsläufig das gesamte einfallende Licht auf das optische Element 5 trifft, sondern auch an diesem vorbei verlaufen kann, kann eine Innenwand 8 des Innenraums 4 reflektierend ausgebildet sein, die diese vorbeiverlaufenden Strahlen auf das optische Element 5 bzw. den Wärmespeicher 6 um lenkt. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die freie Innenwand, also die Innenwand, die nicht durch Einbauten wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle 3 gebildet oder durch solche Einbauten abgeschattet wird, reflektierend ausgebildet.

Die Vorrichtung kann in Hauptausbreitungsrichtung 2 lichtdurchlässig sein, indem in Hauptausbreitungsrichtung 2 gegenüber der Kollektoröffnung 1 eine Emitteröffnung 9 angeordnet ist, wodurch die Vorrichtung beispielsweise in Fenstern oder anderen transparenten Objekten verbaut werden kann.

Um möglichst viel Licht über die Kollektoröffnung 1 in die Vorrichtung zu lenken, kann die Kollektoröffnung 1 Sammellinsen 10 aufweisen, die aufgrund ihrer Oberfläche und Apertur günstigere Einfallswinkel ermöglichen. Bevorzugter Weise sind mehrere Sammellinsen 10 rasterförmig angeordnet, um die oben geschilderten vorteilhaften Effekte weitgehend unabhängig von dem Ort, an dem das Licht auf die Kollektoröffnung 1 trifft, zu nutzen.

Der Wärmeenergiewandler kann wie in Figs. 1 und 2 angedeutet ein thermoelektrischer Generator sein, der mehrere Seebeck-Elemente umfasst, da die Vorrichtung dieser ersten Ausführungsform so besonders kompakt mit dem Wärmeenergiewandler kombiniert werden kann. Wird ein Prisma als optisches Element 5 verwendet, kann dies eine der Kollektoröffnung 1 und eine der thermischen Kontaktstelle 3 zugewandte Fläche 11 bzw. 12 aufweisen, da so eine verhältnismäßig große Eindringfläche für von der Kollektoröffnung 1 kommende Lichtstrahlen und eine verhältnismäßig große Abstrahlfläche für in Richtung der thermischen Kontaktstelle 3 reflektiertes Licht ausgebildet wird. Da die Brechung des Lichtes am Prisma unter anderem vom Einfallswinkel abhängt, kann das Prisma über ein Gelenk 13 im Innenraum 4 gelagert sein, um den Winkel zwischen Hauptausbreitungsrichtung 2 und den verschiedenen Flächen 11. 12 des Prismas einzustellen. Die Fig. 2 zeigt ein aus zwei Vorrichtungen kombiniertes thermoelektrisches Kraftwerk als Wärmekraftwerk, bei dem die Emitteröffnung 9 einer Vorrichtung an die Kollektoröffnung 1 einer in Hauptausbreitungsrichtung 2 nachgelagerten Vorrichtung anschließt. Über die Kollektoröffnung 1 der oberen Vorrichtung eintretendes Licht wird dabei in den von den Innenräumen 4 der Vorrichtungen gebildeten Innenbereich geleitet, wodurch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit bzw. Verweildauer des Lichtes im thermoelektrischen Kraftwerk als Wärmekraftwerk proportional zum Volumen dieses gebildeten Innenbereichs ist. Mit anderen Worten kann ein Lichtanteil, der in einer Vorrichtung am optischen Element vorbeigeleitet wurde und dem folglich keine oder nur wenig Energie entnommen werden konnte, in die benachbarte Vorrichtung weitergeleitet werden, wie dies beispielsweise am Strahlengang 14 ersichtlich ist. Es versteht sich dabei von selbst, dass zur Steigerung der Energiegewinnungseffizienz auch mehrere Vorrichtungen erfindungsgemäß in Hauptausbreitungsrichtung 2 angeordnet werden können.

Während die thermischen Kontaktstellen 3 der in der Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform für ein oder mehrere Seebeck-Elemente vorgesehen sind, umfasst der Wärmeenergiewandler in einer zweiten, in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ein Reservoir 15 für ein Energieträgerfluid 16, welches mit der thermischen Kontaktstelle 3 thermisch leitend verbunden ist. Die über die thermische Kontaktstelle 3 auf das Energieträgerfluid 16 übertragene thermische Energie heizt also das Energieträgerfluid 16 auf, welches zum Betrieb des Wärmeenergiewandlers genutzt werden kann. In dieser zweiten Ausführungsform verdampft das Energieträgerfluid 16 aufgrund der übertragenen thermischen Energie wenigstens teilweise, wobei der Dampf eine Dampfturbine 17 antreibt. Die kinetische Energie der angetriebenen Dampfturbine 17 treibt einen Generator 18 an, der die auf ihn übertragene mechanische Energie der Dampfturbine 17 in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Der Dampf kann anschließend entweder in die Umgebung entweichen, oder dem Reservoir 15 rückgeführt werden.

Auch die in der Fig. 3 gezeigte Ausführungsform kann analog zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform in einem Wärmekraftwerk verwendet werden, wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist. Die Effizienz, mit der die thermische Energie auf das Energieträgerfluid 16 übertragen werden kann, kann allerdings gesteigert werden, wenn die thermischen Kontaktstellen 3 von zwei oder mehreren Vorrichtungen der zweiten Ausführungsform ein gemeinsames Reservoir 15 mit Energieträgerfluid 16 beheizen.