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Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsverdichter mit einer optisch klaren, licht- beständigen, dünnen und aufrollbar biegsamen Kunststoffolie, die mindestens einseitig mit unter- schiedlich geneigten, parallelen Lichtbeugestufen nach Art einer Fresnel-Linse versehen ist. Wei- ters bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strahlungsver- dichters.
Strahlungsverdichter zur Nutzung der Sonnenenergie wurden bisher grundsätzlich als starre
Systeme ausgebildet, wobei die Bündelung der Sonnenstrahlen durch Spiegel oder auch durch eine
Linsenwirkung des Strahlungsverdichters, insbesondere durch eine Fresnel-linsenartige Gestaltung desselben erzielt wird. Die bekannten Strahlungsverdichter sind verhältnismässig komplizierte und daher teure Konstruktionen, die den Nachteil langer Kapitalrückflusszeiten und schlechter Energie- bilanzen haben. Gerade in Trockengebieten, wo die Sonnenstrahlung kaum durch Wolken behindert wird und Holz u. a. Brennstoffe rar sind, lassen sich daher die bekannten Strahlungsverdichter nur beschränkt einsetzen, um die im Überfluss vorhandene Sonnenenergie zu nutzen, sei es für die Zwecke des Kochens, Kühlens, Klimatisierens, Grundwasserpumpens, Wasserentsalzens od. dgl.
Das Transportproblem und mangelnde Wartung stellen weitere Hindernisse dar, abgesehen davon, dass die in Trockengebieten zumeist arme Bevölkerung nicht die Möglichkeit hat, die verhältnis- mässig teuren Strahlungsverdichter zu erwerben und so für sich selbst einzusetzen.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden oder zumindest stark zu mildern und einen Strahlungsverdichter der eingangs geschilderten Art zu schaffen, der ra- tionell herstellbar ist und daher den Bedürfnissen der Bevölkerung in Trockengebieten angepasst ist, leicht zu transportieren ist und keiner besonderen Wartung bedarf.
Die Erfindung geht hiebei von einem Strahlungsverdichter der eingangs geschilderten Art aus und besteht im wesentlichen darin, dass zur Ausbildung der Kunststoffolie als Sonnenstrah- lungsverdichter diese aus einem Verbundmaterial besteht, dessen, z. B. aus Polycarbonat bestehen- de, Trägerschicht eine höhere Festigkeit und Formbeständigkeit als die z. B. aus Polyvinylchlorid bestehende, Aufbauschicht hat, die ihrerseits eine höhere Elastizität und bessere Warmverformbar- keit als die Trägerschicht aufweist und die optische Schicht bildet und dass zur Erzielung der
Formbeständigkeit des Verdichters, zwecks Ausrichtung der Lichtbeugestufen der Aufbauschicht auf die Sonnenstrahlung, der Folie zumindest ein Spannorgan, insbesondere ein Spannrahmen, zugeordnet ist.
Dieses Spannorgan hält die einzelnen Lichtbeugestufen der Kunststoffolie so gespannt. dass die gewünschten optischen Eigenschaften gewährleistet bleiben. Um die Aufrollung der vom Spann- organ gelösten Folie zu ermöglichen und damit Versand, Lagerung und Aufbewahrung des Strahlungsverdichters platzsparend zu gestalten, besteht die Kunststoffolie aus dem erwähnten Verbundmaterial, das sowohl den optischen als auch den mechanischen Anforderungen, die an es gestellt sind, gerecht wird. Die Trägerschicht kann auch z. B. aus Polyester oder einem wit- terungs-und chemikalienbeständigen verschweissbaren Polyvinylfluorid bestehen, wogegen die optische Aufbauschicht z. B. aus Polyurethan oder Silikonkautschuk bestehen kann.
Aus diesen Materialien kann mit einem bescheidenen Aufwand an Energie, Material und Werkzeug ein Strahlungsverdichter bzw. dessen Folie in der oben angegebenen Weise leicht hergestellt werden.
Beim Transport und bei der Lagerung lässt sich die Kunststoffolie zusammenrollen, wodurch erheblich an Platz gespart werden kann. Dennoch wird, sobald die Kunststoffolie durch das Spannorgan gespannt gehalten ist, der gewünschte optische Charakter der Kunststoffolie gewährleistet.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befinden sich die Lichtbeugestufen der Aufbauschicht auf der der Sonnenstrahlung zugewendeten Seite der Kunststoffolie, wobei diese mindestens einseitig durch eine dünne, gegenüber Ultraviolettlicht beständige Klarsichtschutzfolie abgedeckt und am Rande mit dieser luft- und wasserdicht verbunden ist. Dadurch wird die Aufbauschicht vor Verschmutzung und Beschädigung geschützt. Besonders günstig ist es, wenn hiebei im Rahmen der Erfindung die Klarsichtschutzfolie auswechselbar mit der Kunststoffolie verbunden ist, da auf diese Weise die Klarsichtschutzfolie leicht gereinigt, z. B. mit Wasser abgespült, werden kann.
Eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Strahlungsverdichters ergibt sich im Rahmen der Erfindung, wenn die Lichtbeugestufen der Aufbauschicht metallisch verspiegelt sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Strahlungsver-
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dichters besteht im wesentlichen darin, dass einer aus der Trägerschicht und der Aufbauschicht bestehenden Rohfolie nach Vorwärmung die Lichtbeugestufen in an sich bekannter Weise zwischen einer Formwalze und einer glatten Gegendruckwalze auf der Seite der Aufbauschicht eingewalzt werden, wonach die Kunststoffolie mit Kaltluft gekühlt und sodann in einem anschliessenden Arbeitsgang mit der Klarsichtschutzfolie luftdicht verschweisst, zuvor jedoch aus dem Zwischenraum zwischen der Schutzfolie und der Aufbauschicht die Luft abgesaugt wird, wobei bei dieser Verschweissung gegebenenfalls auch der Wulst und bzw. oder die Lochung erzeugt werden.
Auf diese Weise ist ein Strahlungsverdichter der eingangs geschilderten Art bei Vermeidung eines Feuchtigkeitseinschlusses zwischen Schutzfolie und Kunststoffolie wirtschaftlich auch in industriellem Massstab herstellbar.
Ein Strahlungsverdichter aus einer dünnen, aufrollbar biegsamen Kunststoffolie ist bekannt (DE-OS 2549461). Es handelt sich dort jedoch um eine Vorrichtung zur verbesserten Darstellung graphischer Informationen, die auf das Gebiet eines Sonnenstrahlungsverdichters nicht ohne weiteres anwendbar ist.
Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Fig. 1 zeigt einen Strahlungsverdichter mit unten liegenden Lichtbeugestufen im Vertikalschnitt. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante zu Fig. 1. Die Fig. 3 und 4 zeigen je ein weiteres Ausführungsbeispiel mit unten liegenden Lichtbeugestufen. Fig. 5 zeigt einen Strahlungsverdichter mit oben liegenden Lichtbeugestufen, wobei die Fig. 6, 7 und 8 Ausführungsvarianten hiezu darstellen, analog zu den Ausführungsvarianten nach den Fig. 2, 3 und 4. Die Fig. 9 bis 12 zeigen vier weitere Ausführungsbeispiele mit oben liegenden Lichtbeugestufen.
Fig. 13 zeigt die Befestigung der Kunststoffolie am Spannorgan und Fig. 14 zeigt ein Detail hiezu in grösserem Massstab im Schnitt. Fig. 15 zeigt die Anwendung eines Strahlungsverdichters für einen Sonnenkocher. Fig. 16 zeigt eine Ausführungsvariante für die Befestigung der Kunststoffolie am Spannorgan. Fig. 17 zeigt schematisch die Herstellung eines erfindungsgemässen Strahlungsverdichters.
In den Fig. 1 bis 12 bedeuten :
F = Fokus, Wirkbereich der verdichteten Sonnenstrahlung, f = Brennweite des Systems,
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s = Stirnflanken, Y = Symmetrieebene,
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AbstandS = Ablenkwinkel eines Sonnenstrahles nach Durchgang durch oder Reflexion auf dem Verdich- ter, s i, s 2= erster und zweiter Brechungswinkel, = Stirnflankenwinkel, 11 = Neigungswinkel des Verdichters gegenüber der Senkrechten zur einfallenden Sonnen- strahlung = Neigungswinkel des Verdichters gegen die einfallende Sonnenstrahlung.
Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung ist nicht eingezeichnet ; er entspricht dem Neigungswinkel 11.
Der Sonnenstrahlungsverdichter nach Fig. 1 besteht aus einer straff gespannten, lichtdurch-
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an ihrer Unterseite so strukturiert ist, dass parallel zueinander verlaufende, einander gleich breite, aber verschieden geneigte Lichtbeugestufen --2-- rillenartig gebildet sind, welche die von der der Sonne zugewendeten Oberfläche --4-- her einfallenden Sonnenstrahlen --3-- auf einen Wirkbereich F verdichten, der bei der Ausführungsform nach Fig. l in der Symmetrieebene Y des Verdichters unterhalb des Verdichters liegt. In diesem Wirkbereich F können entsprechend der grossen Energiedichte in einem Absorber hohe Temperaturen erzeugt und die hiebei entwickelte Wärme entweder unmittelbar genutzt oder mit geeigneten Hilfsmitteln, z.
B. mittels einer Wärmeträgerflüssigkeit zwecks Nutzung in bekannter Weise abgeführt werden. Der Verdichter kann, falls erforderlich bzw. gewünscht, der einfallenden Sonnenstrahlung schrittweise oder kontinuierlich nachgeführt werden. Eine solche Nachführung kann dann entfallen, wenn der Verdichter mit der Längsachse seiner Lichtbeugestufen --2-- in Nord-Süd-Richtung oder noch besser parallel zur Erdachse montiert ist, mit zusätzlicher Deklinationskorrektur. Wenn man die hauptsächlich morgens und abends entstehenden Einstrahlungsverluste in Kauf nimmt, kann der Verdichter auch mit der Längsachse seiner Lichtbeugestufen --2-- in Ost-West-Richtung montiert werden, wobei die Nachführung des Verdichters auf eine gelegentliche Deklinationskorrektur beschränkt werden kann.
Für die Nachführung des Verdichters können bekannte Systeme verwendet werden.
Die Kunststoffolie --1--, deren Aufbauschicht --41-- eine höhere Elastizität und bessere Warmverformbarkeit als die Trägerschicht --40-- aufweist und die optische Schicht bildet, wird zwecks Ausrichtung der Lichtbeugestufen --2-- der Aufbauschicht --41-- auf die Sonnenstrahlung in einem Spannorgan gespannt gehalten, welches später noch näher beschrieben wird.
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chlorid besteht.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Anordnung so getroffen, dass die auf die Kunst- stoffolie --1-- des Sonnenstrahlungsverdichters auffallende Sonnenstrahlung --3-- auf einen ausserhalb der Symmetrieebene des Verdichters liegenden Absorber gerichtet wird. Es ist auch möglich, zwei solche Sonnenstrahlungsverdichter gegensinnig parallel zu einer Einheit anzuordnen, was z. B. in Fig. 4 schematisch dargestellt wird. Dadurch wird der Verdichtungsgrad und die
Leistung verdoppelt.
Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades und bzw. oder Verkürzung der Brennweite sind erreichbar, wenn der Verdichter mit konstanter Querneigung n dem scheinbaren Sonnenlauf nachgeführt wird (Fig. 3). Die Verkürzung der Brennweite ergibt sich hiebei durch den vergrösser- ten zweiten Brechungswinkel "'2'die Verbesserung des Wirkungsgrades hingegen durch die vermin- derten Streuverluste an den Stirnflanken s der Lichtbeugestufen --2--. Am meisten wirken sich diese Vorteile bei Verdichtern mit verspiegelten Lichtbeugestufen --2-- aus (Fig. 9 bis 12).
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 5 bis 8, die in der grundsätzlichen Anordnung der Ebene des Sonnenstrahlungsverdichters bzw. der Ebenen der Verdichter den Anordnungen nach den Fig. l bis 4 entsprechen, befindet sich die Aufbauschicht --41-- mit den Lichtbeugestufen --2-- oben und die Trägerschicht --40-- unten. Dadurch werden infolge der zweimaligen Lichtbrechung kleinere Brennweiten und bzw. oder bessere optische Wirkungsgrade erreicht.
Um eine Verschmutzung der Lichtbeugestufen --2-- zu vermeiden, ist es allerdings bei den Ausführungsformen nach den Fig. 5 bis 8 in den meisten Fällen angezeigt, die Oberfläche --4-- des Sonnenstrahlungsverdichters mit einer dünnen, transparenten, UV-stabilen Schutzfolie-5-zu überziehen, die an den Oberkanten der Lichtbeugestufen --2-- luft- und wasserdicht unlösbar befestigt oder auch auswechselbar montiert sein kann. Die Auswechselbarkeit der Schutzfolie --5-kann gegebenenfalls die periodische Reinigung des gesamten Systems ersparen und somit dessen Wirtschaftlichkeit verbessern und die Lebensdauer verlängern.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 wird durch Verspiegelung der Lichtbeugestufen --2-die einfallende Sonnenstrahlung in einem wesentlich grösserem Winkel 6 nach oben reflektiert, als dies durch Lichtbrechung durch den Verdichter hindurch nach unten geschehen könnte, so dass entsprechend kürzere Brennweiten f erreicht und dadurch kompaktere Systeme gebaut werden
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können. Ausserdem findet auf diese Weise keine brechungsbedingte Dispersion der Sonnenstrahlung statt, wodurch das System optisch genauer arbeitet und höher verdichtet. Befinden sich beim Verdichter mit verspiegelten Lichtbeugestufen --2-- diese auf dessen Oberseite --4--, so kann der Verdichter ausserdem aus Materialien bestehen, die für die zu nutzende Sonnenstrahlung nicht durchlässig sind.
Das System kann optisch noch dadurch verbessert werden, dass die Breite der Lichtbeugestufen --2-- den verschiedenen Neigungswinkeln derselben angepasst sind, so dass die Tiefe der Lichtbeugestufen --2-- stets konstant ist. Ein solches System ist z. B. in Fig. 4 dargestellt. Dabei ist zu beachten, dass bei entsprechender Neigung und Form der Stirnflanken s die unvermeidbare Verluststrahlung v in Richtung zur Sonne zurückreflektiert wird, was eine unerwünschte Blendung in Seitenrichtung vermeidet (Fig. 9). Dies ist erfüllt, wenn die Stirnflanke s mit der ihr innen benachbarten Seitenflanke der Lichtbeugestufe einen rechten Winkel bildet.
Die Fig. 10 bis 12 zeigen Anordnungen von verspiegelten Sonnenstrahlungsverdichtern ähnlich jenen nach den Fig. 2 bis 4 bzw. nach den Fig. 6 bis 8.
Zur Befestigung des Sonnenstrahlungsverdichters an einem Holm--7-- (Fig. 13) eines Spannorgans kann die Kunststoffolie an mindestens zwei einander gegenüberliegenden Rändern mit einem Wulst --6-- versehen sein, der in einer entsprechenden Höhlung des als Hohlprofil ausgebildeten Holmes --7-- eingespannt ist. Eine zusätzliche Spannung kann dadurch erzielt werden, dass die Kunststoffolie --1-- an mindestens zwei einander gegenüberliegenden Rändern mit einer Lochung--8-- (Fig. 14) versehen ist. Durch den Wulst --6-- und die Lochung --8-- sind vielfältige Möglichkeiten geschaffen, die Kunststoffolie --2-- so zu halten bzw. zu spannen, dass ihre exakte Funktion auch unter Windbelastung noch gewährleistet ist. Bei Nichtgebrauch kann die Kunststofffolie --1-- aufgerollt und verstaut werden, was von Hand, halb-oder vollautomatisch geschehen kann.
Fig. 15 zeigt eine besonders einfache Ausführung eines Sonnenkochers bzw. Grills mit einem erfindungsgemässen Sonnenstrahlungsverdichter. Die Kunststoffolie --1-- ist durch ihre Randlochung --8-- in einem als Rahmen ausgebildeten Spannorgan gehalten, das auf Stützen --14-- befestigt ist und mit einer Neigeeinrichtung --15-- zur Nachführung entsprechend der scheinbaren Sonnenwanderung versehen ist. Der Neigeeinrichtung--15--ist ein Gewicht --16-- zugeordnet. Ausser der Kunststoffolie-l-können alle genannten Bauteile aus auch in Entwicklungsgebieten erhältlichem Material, wie Holz, Pflanzenfasern und Steinen gefertigt werden. Zweckmässig sind als Zubehör noch ein Siederohr --9-- mit Ein- und Ausguss --10--, eine Bratschale --11-- und ein Grillstab --12-- vorhanden.
Zur Halterung und Spannung der Kunststoffolie --1-- können, wie Fig. 16 zeigt, auch besonders ausgebildete Zahnräder --42-- verwendet werden, deren Zähne durch die Lochung --8-am Rand der Kunststoffolie-l-hindurchgreifen. Die Zahnräder --42-- sind auf Wellen --43-- montiert, die in einer Halterung eines Spannorgans --13-- drehbar gelagert sind.
Das in Fig. 17 dargestellte Herstellungsverfahren für die Kunststoffolie --1-- ermöglicht es, diese Folie rationell in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess zu fertigen. Eine Rohfolie wird von einer Vorratsrolle --22-- abgewickelt, zu einer Vorwärmeanlage --23-- geführt und
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--25-- undlühlzone --26-- und gelangt anschliessend nochmals zwischen zwei Walzen --27, 28--, welche eine von einer Vorratsrolle --29-- abgezogene Schutzfolie --5-- luft- und wasserdicht mit der Kunststoffolie-l-verschweissen. Zwischen den Walzen --27, 28-- befindet sich eine Absaugung --30--, die verhindert, dass später im Betrieb Feuchtigkeit zwischen den Folien --1, 5-kondensieren kann.
Ein den Walzen --27, 28-- nachgeschaltetes Aggregat --31-- dient zur gegebenenfalls notwendigen Anbringung einer Randlochung in der Kunststoffolie --1-- unter gleichzeitiger Verschweissung der Lochränder. Anschliessend gelangt die fertige Kunststoffolie-l-auf eine Transportrolle --33-- oder sie wird in einem letzten Arbeitsgang auf die gewünschten Längen konfektioniert und gestapelt, was nicht dargestellt ist.