<Desc/Clms Page number 1>
Inrichting voor het benutten van geconcentreerde zonneenergie.
Deze uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het benutten van geconcentreerde zonne-energie, welke inrichting een lineaire primaire concentrator bevat die uit een of meer spiegels bestaat en de zonnestraling opvangt en weerkaatst naar een langwerpige evenwijdig aan de primaire concentrator opgestelde absorber en een over deze absorber opgestelde secundaire concentrator.
Een lineaire concentrator is een concentrator die zich in een richting recht, normaal gezien horizontaal, uitstrekt.
Dwars op deze richting bezit hij een gepaste vorm om de zonnestraling op te vangen en geconcentreerd te weerkaatsen in de richting van de absorber en de secundaire concentrator.
Doordat de zon een bol is, is de zonnestraling een niet-evenwijdige straling, hetgeen voor de toepassing ervan een probleem vormt. Deze niet-evenwijdige straling geeft immers aanleiding tot het vormen van een beeld van de zon in de brandpuntslijn van de primaire concentrator. In feite is er geen echte brandpuntslijn maar een strook die een verzameling van brandpuntslijnen vormt.
Deze vlek wordt overigens vergroot door fouten van de optische instrumenten, dit zijn de spiegels van de primaire en secondaire concentrators.
De lijn in het midden van een set op de primaire concentrator weerkaatste evenwijdige stralen is de
<Desc/Clms Page number 2>
reflectie van het middelpunt van de zonneschijf in een perfecte optica.
De uiterste lijnen van deze bundel evenwijdige stralen beschrijven de reflecties van, voor lineaire systemen, de twee randen van de zonneschijf die men nog wenst te concentreren, met inbegrip van de maximum toegelaten optische fouten.
Het is duidelijk dat om de warmteverliezen zo klein mogelijk te houden het buitenoppervlak van de absorber moet worden beperkt.
Om dit te bereiken, wordt reeds gebruik gemaakt van de zogenoemde CPC (Compound Parabolic Collector) technologie voor de secundaire concentrator.
Deze technologie maakt het mogelijk de concentratie van de zonnestraling te verdubbelen en dus de doorsnede van de absorber en de warmteverliezen bij een bepaalde temperatuur te halveren.
De optische verliezen in de secundaire concentrator zijn in de meeste gevallen evenwel groter dan de besparing van de warmteverliezen, zodat deze technologie niet veel wordt toegepast.
Bij de CPC technologie worden raaklijnen van een bundel stralen tangentieel naar de absorber geleid. De figuur die hierdoor ontstaat, bundelt binnen de opening van de secundaire concentrator en binnen de aanvaardingshoek alle stralen af op de absorber.
<Desc/Clms Page number 3>
Meestal is er een fysisch contact tussen de aborber en de secundaire concentrator, maar dit is niet altijd mogelijk omwille van de temperatuurslimiet van de secundaire concentrator.
In dergelijke gevallen wordt een opening gelaten tussen de absorber en de erboven gelegen concentrator. Indien er geen concentratieverlies is, ontstaat daarentegen een verlies door de opening. Stralen die door deze opening zijn gericht worden niet nuttig gebruikt.
Tevens wordt de secundaire concentrator zo geconstrueerd dat voor een bepaalde hoek van de stralen naar een uiterste punt van de absorber, dit is soms tangentieel, deze stralen op deze absorber gereflecteerd worden. Voor andere hoeken kunnen er meerdere reflecties zijn van de straling binnen de secundaire concentrator, hetgeen ook een vermindering van rendement betekent.
De uitvinding heeft een inrichting voor het benutten van geconcentreerde zonne-energie als doel die voornoemde nadelen vermijdt en een minimum aan verliezen van zonne-energie met zieh meebrengt.
Dit doel wordt volgens de uitvinding verwezenlijkt doordat de primaire concentrator zo naar de absorber gericht is dat er drie evenwijdig aan de absorber gerichte brandpuntslijnen worden gevormd.
Bij voorkeur zijn de drie brandpuntslijnen binnen de ruimte begrensd door de secundaire concentrator gelegen.
De middelste brandpuntslijn kan in het verticale vlak door 'het midden van de absorber zijn gelegen.
<Desc/Clms Page number 4>
Deze middelste brandpuntslijn is dan bij voorkeur binnen de absorber gelegen.
De secundaire concentrator is doelmatig een CPCconcentrator.
De absorber kan een ronde buis zijn.
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een inrichting voor het benutten van geconcentreerde zonne-energie volgens de uitvinding beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin : figuur 1 schematisch een vooraanzicht weergeeft van een inrichting volgens de uitvinding ; figuur 2 op grotere schaal het gedeelte weergeeft dat in figuur 1 met F2 is aangeduid ; figuren 3 en 4 dwarse doorsneden weergeven van de secundaire concentrator en de absorber van de inrichting volgens de vorige figuren, waarop enkele uiterste stralen zijn aangeduid.
De inrichting voor het benutten van zonne-energie volgens de uitvinding weergegeven in figuur 1 bestaat in hoofdzaak uit een zieh horizontaal in de oost-westrichting uitstrekkende primaire concentrator 1, een daarboven opgestelde absorber 2 die zieh eveneens horizontaal in de oost-westrichting uitstrekt en een secundaire concentrator 3 die zieh evenwijdig aan de primaire concentrator 1 als een kap boven de absorber 2 uitstrekt.
<Desc/Clms Page number 5>
De primaire concentrator 1 kan een parabolische doorsnede bezitten of, zoals in het weergegeven voorbeeld, in segmenten verdeeld zijn en bestaan uit een aantal vlakke spiegelstroken 4 met bijvoorbeeld een breedte van 0, 5 m.
Elk van de spiegelstroken 4 is in zijn midden vastgemaakt op een door een buis 5 gevormde wentelas die gelagerd is op een gestel 6.
De buizen 5 zijn samen of afzonderlijk wentelbaar door niet in de figuur 1 weergegeven middelen op zodanige manier dat ze de zon 7 volgen. Wanneer de spiegelstroken 4 in de . oost-westrichting zijn gericht, is voor het grootste gedeelte van de dag de wenteling van deze spiegelstroken 4 in functie van het seizoen.
De absorber 2 is in zijn meest eenvoudige uitvoeringsvorm een ronde metalen buis waarin het op te warmen fluidum stroomt en die aan de buitenkant bekleed is met een warmte-absorberende bekleding, bijvoorbeeld een zwarte laag die erop gesputterd werd.
Deze buis kan omgeven zijn door een niet in figuur 1 weergegeven buis van hittebestendig glas.
De buis van de absorber 2 is op regelmatige afstanden door middel van een ophanging 8 opgehangen aan een langsligger 9 die hangt aan portalen 10 die vastgemaakt zijn aan voornoemd gestel 6.
Tussen twee opeenvolgende ophangingen 8 is een secundaire concentrator 3 opgesteld.
<Desc/Clms Page number 6>
De secundaire concentrator 3 is geconstrueerd volgens de CPC-technologie en bevat een spiegel 11 die uit twee quasi parabolische helften 11A en 11B die elkaars spiegelbeeld vormen en in het midden, op een afstand boven de absorber 2, met een kleine naar onder gerichte punt 11C op elkaar aansluiten zoals in detail in de figuren 2 tot 4 is weergegeven.
Deze spiegel 11 is aan de bovenzijde bekleed met thermisch isolerend materiaal 12 en op regelmatige afstanden door middel van jukken 13 aan voornoemde langsligger 9 opgehangen.
Zoals weergegeven in figuur 3 maakt een lijn 14 door de punt 11C van de spiegel 11 en rakend aan een zijde, namelijk links in figuur 3, aan de absorber 2 een hoek A met de horizontale. Een lijn 15 door de punt 11C maar rakend aan de tegenovergelegen zijde aan de absorber 2 maakt een hoek B met de horizontale.
Elk van de spiegelstroken 4 van de primaire concentrator 1 straalt in principe een evenwijdige bundel stralen terug naar de absorber 2. Voor de eenvoud is in figuur 1 uitsluitend de middellijn 16 van elk van deze bundels weergegeven en de twee uiterste stralen 17 van de concentrator 1 in zijn geheel.
Indien de hellingshoek van een bundel evenwijdige stralen en dus de hellingshoek C van een middellijn 16 kleiner is dan de hoek A dan raakt de hoogst gelegen straal 18 tangentieel de bovenkant van de absorber 2, terwijl de laagst gelegen uiterste straal 19 van de bundel na een 'reflectie op de spiegel 11 tangentieel raakt aan de bovenzijde van de absorber 2, zoals weergegeven in figuur 3.
<Desc/Clms Page number 7>
Hetzelfde geldt wanneer de hellingshoek C van de bundel groter is dan de hoek B.
Het gedeelte van de primaire concentrator 1 met een dergelijke hoek C van de bundels kleiner dan de hoek A moet een parabool vormen met brandpuntslijn rechts van de . absorber 2 in figuur 3.
Is de hoek C groter dan de hoek B dan moet dit gedeelte van de primaire concentrator 1 een gedeelte van een parabool vormen waarvan de brandpuntslijn links van de absorber 2 in figuur 3 is gelegen.
Wanneer de hellingshoek D van de bundel tussen de hoeken A en B is gelegen, raken beide uiterste stralen 18 en 19 van de bundel de absorber 2 tangentieel na een weerkaatsing op de spiegel 11, zoals weergegeven in figuur 4.
Voor de gereflecteerde stralen waarvan de hoek tussen de hoeken A en B is gelegen, moet de primaire concentrator 1 een parabool vormen met de brandpuntslijn in het midden, op . het verticale vlak door het midden van de absorber 2.
Dit betekent in de praktijk dat de primaire concentrator 1 zo gericht is dat er drie evenwijdig aan de absorber 2 en de concentrators 1 en 3 gerichte brandpuntslijnen 20,21 en 22 ontstaan zoals in detail in figuur 2 is weergegeven.
De drie brandpuntslijnen 20,21 en 22 zijn binnen de ruimte 23 begrensd door de spiegel 11 gelegen. De middelste brandpuntslijn 20 is op het verticale vlak door het midden van de absorber 2 en van de spiegel 11 gelegen en zelfs binnen de absorber 2.
<Desc/Clms Page number 8>
De andere twee brandpuntslijnen 21 en 22 liggen aan weerszijden van de brandpuntslijn 20, op dezelfde hoogte van elkaar maar iets lager dan de brandpuntslijn 20.
De primaire concentrator 1 moet niet noodzakelijk uit vlakke spiegelstroken 4 bestaan. Deze stroken kunnen enigszins gebogen zijn in hun dwarsrichting of de concentrator 1 kan uit een gebogen stuk bestaan.
Ook de secundaire concentrator 3 moet niet noodzakelijk de in de figuren weergegeven vorm bezitten en een spiegel 11 bezitten met twee quasi parabolische gedeelen HA en 11B.
Hij kan bijvoorbeeld een spiegel bezitten die uit drie segmenten, bijvoorbeeld drie quasi parabolische gedeelten, met drie brandpunten bestaat.
Hij moet ook niet noodzakelijk van het CPC-type zijn.
De absorber 2 kan andere vormen aannemen dan deze van een ronde buis. Hij kan bijvoorbeeld een plaat zijn.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvorm, doch dergelijke inrichting voor het benutten van geconcentreerde zonne-energie kan in verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.
<Desc / Clms Page number 1>
Device for using concentrated solar energy.
This invention relates to a device for utilizing concentrated solar energy, which device comprises a linear primary concentrator which consists of one or more mirrors and collects and reflects the solar radiation to an elongate parallel to the primary concentrator and an absorber disposed over this primary absorber mounted secondary concentrator.
A linear concentrator is a concentrator that extends in a straight, normally horizontal, direction.
Transverse to this direction, it has a suitable form to collect the solar radiation and to reflect it in a concentrated manner towards the absorber and the secondary concentrator.
Because the sun is a sphere, the solar radiation is a non-parallel radiation, which is a problem for its application. This non-parallel radiation gives rise to an image of the sun in the focal line of the primary concentrator. In fact, there is no real focal line but a strip that forms a collection of focal lines.
Incidentally, this spot is magnified by errors of the optical instruments, these are the mirrors of the primary and secondary concentrators.
The line in the middle of a set on the primary concentrator reflected parallel rays is the
<Desc / Clms Page number 2>
Reflection of the center of the sun disk in perfect optics.
The extreme lines of this bundle of parallel rays describe the reflections of, for linear systems, the two edges of the solar disk that one still wishes to concentrate, including the maximum permitted optical errors.
It is clear that in order to keep the heat losses as small as possible, the outer surface of the absorber must be limited.
To achieve this, the so-called CPC (Compound Parabolic Collector) technology is already being used for the secondary concentrator.
This technology makes it possible to double the concentration of the sun's rays and thus halve the diameter of the absorber and the heat losses at a certain temperature.
However, the optical losses in the secondary concentrator are in most cases greater than the saving of heat losses, so that this technology is not widely used.
With the CPC technology, tangent lines of a bundle of rays are tangentially guided to the absorber. The resulting figure bundles all the rays onto the absorber within the opening of the secondary concentrator and within the acceptance angle.
<Desc / Clms Page number 3>
There is usually physical contact between the aborber and the secondary concentrator, but this is not always possible due to the temperature limit of the secondary concentrator.
In such cases, an opening is left between the absorber and the concentrator located above it. On the other hand, if there is no loss of concentration, a loss will occur through the opening. Rays directed through this opening are not used effectively.
The secondary concentrator is also constructed in such a way that for a certain angle of the rays to an extreme point of the absorber, this is sometimes tangential, these rays are reflected on this absorber. For other angles, there may be multiple reflections of the radiation within the secondary concentrator, which also means a reduction in efficiency.
The invention has for its object to provide a device for utilizing concentrated solar energy which avoids the aforementioned disadvantages and entails a minimum loss of solar energy.
This object is achieved according to the invention in that the primary concentrator is directed towards the absorber in such a way that three focal lines parallel to the absorber are formed.
The three focal lines are preferably located within the space bounded by the secondary concentrator.
The central focal line may be located in the vertical plane through the center of the absorber.
<Desc / Clms Page number 4>
This middle focal line is then preferably located within the absorber.
The secondary concentrator is expediently a CPC concentrator.
The absorber can be a round tube.
With the insight to better demonstrate the characteristics of the invention, a preferred embodiment of a device for utilizing concentrated solar energy according to the invention is described below as an example without any limiting character, with reference to the accompanying drawings, in which: figure 1 schematically represents a front view of a device according to the invention; figure 2 represents the part indicated by F2 in figure 1 on a larger scale; Figures 3 and 4 show cross sections of the secondary concentrator and the absorber of the device according to the previous figures, on which some extreme rays are indicated.
The device for utilizing solar energy according to the invention shown in Figure 1 consists essentially of a primary concentrator 1 extending horizontally in the east-west direction, an absorber 2 disposed above it, which also extends horizontally in the east-west direction and a secondary concentrator 3 extending parallel to the primary concentrator 1 as a cap above the absorber 2.
<Desc / Clms Page number 5>
The primary concentrator 1 can have a parabolic cross-section or, as in the example shown, be divided into segments and consist of a number of flat mirror strips 4 with, for example, a width of 0.5 m.
Each of the mirror strips 4 is fixed in its center on a rolling shaft formed by a tube 5 and mounted on a frame 6.
The tubes 5 can be rotated together or separately by means not shown in Figure 1 in such a way that they follow the sun 7. When the mirror strips 4 in the. facing east-west, the rotation of these mirror strips 4 is dependent on the season for most of the day.
In its simplest embodiment, the absorber 2 is a round metal tube into which the fluid to be heated flows and which is coated on the outside with a heat-absorbing coating, for example a black layer sputtered on it.
This tube can be surrounded by a tube of heat-resistant glass that is not shown in Figure 1.
The tube of the absorber 2 is suspended at regular distances by means of a suspension 8 from a longitudinal girder 9 which hangs on portals 10 which are fixed to said frame 6.
A secondary concentrator 3 is arranged between two successive suspensions 8.
<Desc / Clms Page number 6>
The secondary concentrator 3 is constructed according to the CPC technology and contains a mirror 11 consisting of two quasi-parabolic halves 11A and 11B that mirror each other and in the middle, at a distance above the absorber 2, with a small downward point 11C connect to each other as shown in detail in Figures 2 to 4.
This mirror 11 is clad at the top with thermally insulating material 12 and is suspended at regular distances by means of yokes 13 on said longitudinal beam 9.
As shown in Figure 3, a line 14 through the point 11C of the mirror 11 and tangent to one side, namely to the left in Figure 3, makes an angle A on the absorber 2 with the horizontal. A line 15 through the tip 11C but tangent on the opposite side to the absorber 2 makes an angle B with the horizontal.
In principle, each of the mirror strips 4 of the primary concentrator 1 radiates a parallel beam of rays back to the absorber 2. For the sake of simplicity, only the center line 16 of each of these beams is shown in Figure 1 and the two extreme rays 17 of the concentrator 1 in its entirety.
If the angle of inclination of a bundle of parallel rays and thus the angle of inclination C of a centerline 16 is smaller than the angle A, then the highest beam 18 tangentially hits the top of the absorber 2, while the lowest extreme beam 19 of the beam after a reflection on the mirror 11 tangentially touches on the top of the absorber 2, as shown in Figure 3.
<Desc / Clms Page number 7>
The same applies if the angle of inclination C of the bundle is greater than the angle B.
The portion of the primary concentrator 1 with such an angle C of the beams smaller than the angle A must form a parabola with focal line to the right of the. absorber 2 in figure 3.
If the angle C is greater than the angle B, this portion of the primary concentrator 1 must form a portion of a parabola whose focal line is to the left of the absorber 2 in Figure 3.
When the angle of inclination D of the beam is located between angles A and B, both extreme rays 18 and 19 of the beam hit the absorber 2 tangentially after a reflection on the mirror 11, as shown in Figure 4.
For the reflected rays whose angle is between angles A and B, the primary concentrator 1 must form a parabola with the focal line in the center, on. the vertical plane through the center of the absorber 2.
In practice, this means that the primary concentrator 1 is oriented such that three focal lines 20, 21 and 22 directed parallel to the absorber 2 and concentrators 1 and 3 arise, as shown in detail in Figure 2.
The three focal lines 20, 21 and 22 are located within the space 23 bounded by the mirror 11. The central focal line 20 is located on the vertical plane through the center of the absorber 2 and of the mirror 11 and even within the absorber 2.
<Desc / Clms Page number 8>
The other two focal lines 21 and 22 are on either side of the focal line 20, at the same height from each other but slightly lower than the focal line 20.
The primary concentrator 1 must not necessarily consist of flat mirror strips 4. These strips may be slightly curved in their transverse direction or the concentrator 1 may consist of a curved piece.
Also the secondary concentrator 3 does not necessarily have to be in the form shown in the figures and must have a mirror 11 with two quasi-parabolic parts HA and 11B.
For example, it may have a mirror consisting of three segments, for example three quasi-parabolic portions, with three focal points.
It also does not necessarily have to be of the CPC type.
The absorber 2 can take other forms than those of a round tube. For example, it can be a record.
The invention is by no means limited to the embodiment described above and shown in the figures, but such a device for utilizing concentrated solar energy can be realized in various variants without departing from the scope of the invention.