CH710114A2 - Sonnenkollektor. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung zeigt einen Sonnenkollektor mit einer zweidimensionalen Krümmung des eine Anzahl konzentrierender Facetten (50–85) aufweisenden Konzentrators (49) und einer Absorberanordnung für die konzentrierte Sonnenstrahlung, wobei der Konzentrator (49) im Betrieb mehrere Brennbereiche an verschiedenen Orten erzeugt und die Absorberanordnung für alle Brennbereiche wirksam ist. Dadurch kann die konzentrierte Strahlung an die konstruktiven Gegebenheiten der Absorberanordnung angepasst werden, mit der Folge, dass Verluste in der Absorberanordnung vermieden oder vermindert werden.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor zur Konzentration von Sonnenstrahlung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung des Sonnenkollektors nach Anspruch 14.

[0002] Sonnenkollektoren mit einer zweidimensionalen Krümmung sind generell als Dish-Kollektoren bekannt, weisen einen möglichst weitgehend einem Paraboloid angenäherten Konzentrator auf und unterschieden sich von Rinnenkollektoren (die auch Trough-Kollektoren) genannt werden und nur in einer Dimension bzw. Richtung gekrümmt sind.

[0003] Ein Vorteil von Dish-Kollektoren besteht darin, dass diese eine wesentlich höhere Konzentration der Sonnenstrahlung erlauben, als dies bei Rinnenkollektoren der Fall ist, insbesondere dann, wenn das Paraboloid als Grundform für den Konzentrator gut angenähert werden kann. Üblicherweise werden durch Dish-Kollektoren Stirling-Motore angetrieben, welche am Ort des Brennbereiches des Konzentrators angeordnet sind. Ein scharfer Brennpunkt eines Dish-Kollektors, insbesondere mit einem grösseren Konzentrator von 10 m, 15 m oder mehr Durchmesser ist im Allgemeinen kaum zu erzeugen, und wenn, nur unter ausserordentlichen Kosten, die einen wirtschaftlichen Einsatz solch eines Konzentrators zum Vornherein ausschliessen. Hier ist jedoch ein Dish-Konzentrator bekannt geworden, der einzelne konzentrierende Facetten aufweist, die auf einem gedachten Paraboloid angeordnet sind und auf Grund ihrer Ausbildung einen besonders kleinen Brennbereich eines solchen Konzentrators bewirken, was einer hohen geometrischen Konzentration entspricht. Im Versuch sind mit solchen Konzentratoren schon über 2700 °C bei einer Konzentration von über 2000 Sonnen erreicht worden.

[0004] Mit wachsender Konzentration wachsen auch die Anforderungen an die Absorberanordnung, welche die durch den Konzentrator konzentrierte Strahlung über eine absorbierende Oberfläche absorbiert. Im Fall eines Sterling-Motors oder der Einspeisung der Wärme der konzentrierten Sonnenstrahlung in ein Leitungssystem muss die Absorberanordnung diese Wärme auch bei hoher Konzentration einwandfrei abführen oder, im Fall von Photovoltaischen Zellen, Wärme und Strom, da sich die photovoltaischen Zellen durch die konzentrierte Strahlung erhitzen. Dabei treten an der Absorberanordnung oft Verluste auf, welche die Effizienz des Sonnenkollektors beeinträchtigen.

[0005] Die Absorberanordnung weist notwendigerweise Leitungen für den Kühlmittelkreislauf bzw. Strom und eine Trägerstruktur für alle Elemente einschliesslich der absorbierenden Oberfläche auf, was wiederum in vielen Fällen erschwert, über die Abmessungen der einfallenden, konzentrierten Strahlung eine durchgehende absorbierende Oberfläche vorzusehen, wie es insbesondere beim Einsatz von photovoltaischen Zellen der Fall ist.

[0006] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Solarkollektor mit verbesserter Effizienz bereitzustellen.

[0007] Dadurch, dass der Konzentrator mehrere Brennbereiche an verschiedenen Orten erzeugt, kann die Absorberanordung einfacher oder verbessert ausgebildet werden, da deren absorbierende Oberfläche den mehreren Brennbereichen entsprechend problemlos in einzelne absorbierende Flächenabschnitte derart aufteilbar ist, dass beispielsweise Verluste durch die Geometrie der Absorberanordnung vermieden werden können. Dies kann die absorbierende Oberfläche selbst oder auch den Aufbau der Absorberanordnung überhaupt betreffen, insbesondere betreffend ihrer Kühlung und Anordnung der stromführenden Leitung bis hin zu Steuerungs- oder Regelungsorganen, welche die aktuelle Konzentration einer Facette bzw. die Ausbildung ihres Brennbereichs erfassen und auswerten.

[0008] Über die gestellte Aufgabe hinaus wird ermöglicht, die Absorberanordnung im Hinblick auf den Verlauf der Leitungen (Kühlmittel, Strom) und deren Rahmenstruktur für die Aufhängung ihrer verschiedenen Komponenten zu optimieren, was zu verbesserter Funktion bei geringerem Herstellungsaufwand führt. Die absorbierende Oberfläche muss nicht mehr zwingend so dicht wie möglich gepackt werden.

[0009] Weiter ermöglicht dies über die gestellte Aufgabe hinaus, die absorbierenden Oberflächenabschnitte verbessert auszurichten, was zu einem geringeren rim angle φ für den jeweiligen absorbierenden Oberflächenabschnitt und dadurch eine höhere Konzentration erlaubt, was zu einer nochmals gesteigerten Effizienz des Kollektors führt.

[0010] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt: <tb>Fig. 1a<SEP>schematisch einen Dish-Kollektor gemäss dem Stand der Technik, <tb>Fig. 1b<SEP>ein Bild der absorbierenden Oberfläche einer Absorberanordnung gemäss dem Stand der Technik mit einer Matrix von photovoltaischen Zellen, <tb>Fig. 2a<SEP>schematisch die Bestimmung einer Facette eines Dish-Konzentrators gemäss dem Stand der Technik, <tb>Fig. 2b<SEP>schematisch am Beispiel der Facette von Fig. 2a die Verlagerung ihres Brennbereichs dadurch, dass ihre Ausrichtung durch die translatorische Verschiebung ihres Paraboloids nach aussen geändert wird, <tb>Fig. 2c<SEP>schematisch am Beispiel der Facette von Fig. 2a die Verlagerung ihres Brennbereichs dadurch, dass ihre Ausrichtung durch die translatorische Verschiebung ihres Paraboloids nach oben geändert wird, <tb>Fig. 2d<SEP>schematisch am Beispiel der Facette von Fig. 2a die Verlagerung ihres Brennbereichs dadurch, dass ihre Ausrichtung durch eine Verkippung ihres Paraboloids im Gegenuhrzeigersinn geändert wird, <tb>Fig. 3a<SEP>schematisch die Bestimmung der Facetten und Facettgruppen eines Dish-Konzentrators mit 36 Facetten und 6 Brennbereichen <tb>Fig. 3b<SEP>schematisch die Bestimmung der Facetten und Facettgruppen eines Dish-Konzentrators mit 36 Facetten und 7 Brennbereichen <tb>Fig. 3c<SEP>schematisch die Bestimmung der Facetten und Facettgruppen eines Dish-Konzentrators mit 90 Facetten und 25 Brennbereichen <tb>Fig. 4<SEP>einen als Trumpet ausgebildeten Sekundärkonzentrator, <tb>Fig. 5<SEP>die Facetten eines Konzentrators gemäss Fig. 3a wobei Trumpets vorgesehen sind und deren Anordnung für Brennbereiche auf gleicher Höhe ersichtlich ist, <tb>Fig. 6a<SEP>die Facetten eines Konzentrators gemäss Fig. 3b wobei Trumpets vorgesehen sind und deren Anordnung für Brennbereiche auf gleicher Höhe ersichtlich ist, <tb>Fig. 7a<SEP>die Facetten eines Konzentrators gemäss-Fig. 3c wobei Trumpets vorgesehen sind und deren Anordnung für Brennbereiche auf verschiedener Höhe ersichtlich ist,

[0011] Fig. 1a zeigt einen Dish-Kollektor 1 gemäss dem Stand der Technik, der gemäss der WO 2011/072 410 ausgebildet ist. Ein paraboloider Konzentrator 2 besitzt Facetten 3 mit je elliptischem Umriss, die ihrerseits eine im Betrieb druckbelastete, reflektierende Membran aufweisen, wobei durch den elliptischen Umriss der jeweiligen Facette 3 ihre reflektierende Membran die paraboloidische Fläche des Konzentrators 2 so gut annähert, dass Konzentrationen bis gegen 3000 Sonnen mit den entsprechenden Temperaturen erreicht worden sind. Dies darum, weil jede Facette 3 ihrem Ort im Konzentrator 3 entsprechend einen anderen, an den Ort angepassten elliptischen Umriss aufweist. Der Kollektor 1 besitzt eine Absorberanordnung 4 mit einer in der Figur nicht sichtbaren absorbierenden Oberfläche für die konzentrierte Strahlung, die beispielsweise gemäss derjenigen von Fig. 1b ausgebildet sein kann und dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist. Die Abmessungen dieser absorbierenden Oberfläche im Verhältnis zu den Abmessungen des Konzentrators 2 bestimmen die geometrische Konzentration des Kollektors 1. Dabei wird durch den Konzentrator 2 die reflektierte Sonnenstrahlung möglichst gleichmässig auf die absorbierende Oberfläche konzentriert, wo die entstehende Wärme bzw. im Fall von photovoltaischen Zellen, auch Strom durch ein geeignet ausgebildetes Leitungssystem abgeführt werden muss.

[0012] An dieser Stelle sei hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung anhand des Kollektors 1 von Fig. 1a dargestellt wird, aber natürlich auch auf alle Kollektoren anwendbar ist, die einen die Strahlung konzentrierenden Konzentrator aufweisen, welcher in Abschnitte (die funktionell den hier verwendeten Facetten entsprechen) unterteilt werden kann. Der Begriff Facetten ist entsprechend nicht auf elliptische Teil-Konzentratoren bzw. Spiegel mit elliptischem Umfang beschränkt, sondern auf alle Ausschnitte anwendbar, die einem Ausschnitt aus einem Paraboloid angenähert und erfindungsgemäss ausgebildet sind.

[0013] Fig. 1b zeigt eine (hier ohne Verkleidung dargestellte) Absorberanordnung 10 mit einer absorbierenden Oberfläche 11, die hier beispielhaft aus einer 3x3 Matrix von photovoltaischen Zellen 12 besteht (es sind auch 4 x 4, 5 x 5 oder andere Konfigurationen möglich, wobei die einzelne photovoltaische Zelle beispielsweise 6x6 oder 9 x 9 cm messen kann). Andere Konfigurationen einer absorbierenden Oberfläche, mit oder ohne photovoltaische Zellen, sind ebenfalls erfindungsgemäss.

[0014] In der Figur sind Anschlüsse für den Kühlmittelfluss 13 sowie ein Stecker 14 für den erzeugten Strom ersichtlich. Weiter ersichtlich sind konstruktionsbedingte Zwischenräume 15 zwischen den photovoltaischen Zellen, die heute mit einer Breite von nicht mehr als ca. 10 oder 12 mm realisierbar sind.

[0015] Bei einer 3 x 3 Matrix von photovoltaischen Zellen mit einer Kantenlänge von 6 cm ergibt sich eine Länge der Zwischenräume von 76 cm mit einer Fläche von 76 cm<2>, die unproduktiv ist und im Verhältnis zur produktiven Fläche von 9 x 36 cm<2>= 324 cm<2>der photovoltaischen Zellen gesehen werden muss: Ca. 23% der absorbierenden Oberfläche sind somit unproduktiv, wenigstens für die Produktion von Strom, aber auch teilweise für die Gewinnung von Wärme, was die Effizienz des Kollektors mindert, da die entsprechende konzentrierende Strahlung letztlich verloren ist.

[0016] Fig. 2a zeigt das Konstruktionsprinzip für eine Facette 3 des Konzentrators 2 (Fig. 1a ), da wie erwähnt, jede Facette 3 einen Umriss entsprechend ihrer Anordnung im Paraboloid 20 (dem Grund-Paraboloid) des Konzentrators 2 haben muss. Das Paraboloid stellt den Idealfall des Konzentrators 2 dar, der als reale Konstruktion diesem so gut wie möglich nachgebildet ist bzw. mit diesem zusammenfällt. Das Paraboloid 20 besitzt einen Brennpunkt 22 und ist einem Koordinatensystem x, y, z eingeschrieben, wobei bei betriebsfähiger Ausrichtung des Konzentrators 2 die z-Achse mit der Richtung der aus dem Mittelpunkt der Sonne einfallenden Strahlen übereinstimmt. Zum Zweck der nachfolgenden Beschreibung wird die z-Achse einfach «Achse des Konzentrators» oder «Achse» genannt. Die durch die x, y Achsen aufgespannte Ebene ist die Grundrissebene des Konzentrators 2 bzw. des Paraboloids 20. Das Paraboloid 20 besitzt einen Brennpunkt 22.

[0017] Der Umriss oder Rahmen 24 einer Facette 3 ́ wird nun erhalten, indem ein gedachter Zylinder 21 mit dem Paraboloid 20 geschnitten wird. Dadurch lässt sich in der Grundrissebene x, y das gewünschte (dicht gepackte) Muster von Facetten 3 bilden, und die zugehörigen Orte und Umrisse solch einer Facette 3 ́ im Paraboloid 20 und damit im Konzentrator 2 bestimmen. Die so erhaltenen Facetten 3 ́ bilden die Wand des Paraboloids 20 nach und konzentrieren Sonnenstrahlung in den Brennpunkt 22, wobei allerdings durch die reale Ausbildung nicht ein Brennpunkt, sondern ein Brennbereich 23, mit allerdings vergleichsweise geringen Abmessungen, entsteht. Die absorbierende Oberfläche 11 (Fig. 1b ) beispielsweise einer Absorberanordnung 10 (Fig. 1b ) wird nun betriebsfähig im Brennbereich 23 angeordnet, wobei, gemäss der Beschreibung zu Fig. 1b nicht alle Strahlung verwertet werden kann.

[0018] Fig. 2b zeigt nun einen Schnitt in der y, z-Ebene durch die Anordnung von Fig. 2a . Ersichtlich ist das Paraboloid 20 bzw. der Konzentrator 2 sowie die Facette 3 ́, die im Schnitt durch ihren ebenfalls im Schnitt dargestellten ellipsenförmigen Rahmen 30 erkennbar ist. Die Facette 3 ́ konzentriert auf sie einfallende Strahlung in den Brennpunkt 22.

[0019] Erfindungsgemäss wird nun gedanklich das Paraboloid 20 translatorisch nach aussen, in positiver y-Richtung verschoben, das verschobene Paraboloid ist mit 25 bezeichnet. Der Zylinder 21 bleibt unverändert an seinem Ort. Das bedeutet, dass sich ein anderer Schnitt des Paraboloids 25 mit dem Zylinder 21 ergibt, nämlich die Facette 26, erkennbar an ihrem im Schnitt ersichtlichen Rahmen 27. Die Facette 26 konzentriert einfallende Strahlung in den Brennpunkt 28, der natürlich durch die translatorische Verschiebung des Paraboloids 25 um den gleichen Weg verschoben ist.

[0020] Wird nun ein weiterer Zylinder 21 ́ neben die Facette 26 gesetzt, aber mit dem nicht verschobenen Paraboloid 20 geschnitten, ergibt sich eine durch ihren Rahmen 29 erkennbare weitere Facette 3», welche in den Brennpunkt 22 konzentriert. Im Ergebnis stehen die Facetten 3» und 26 nebeneinander (die Facette 26 liegt zwar gegenüber der Facette 3» etwas weiter unten, was aber nicht stört) und konzentrieren ihre Strahlung in zwei verschiedene Brennbereiche 22,28, die an verschiedenen Orten liegen. Die Brennbereiche 22,28 können nun erfindungsgemäss so gelegt werden, das jeder Brennbereich auf einer ihm zugewiesenen Stelle der absorbierenden Oberfläche liegt, beispielsweise auf je einer der photovoltaischen Zellen 12 (Fig. 1b ).

[0021] Fig. 2c zeigt wiederum wie in Fig. 2b den Schnitt durch das Paraboloid 20, den Zylinder 21 und die Facette 3 ́. Hier ist nun gedacht das Paraboloid nach oben verschoben, und gestrichelt als verschobenes Paraboloid 32 dargestellt. Der neue Schnitt mit dem Zylinder 21 ergibt die durch ihren Rahmen 33 ersichtliche Facette 34, welche in den nach oben verschobenen Brennbereich 36 konzentriert. Wiederum konzentriert die Facette 3 ́ in den Brennpunkt 22, während die weiter oben angeordnete Facette 34 in den weiter oben liegenden Brennpunkt 36 konzentriert.

[0022] Fig. 2d zeigt den bekannten Schnitt von Fig. 2b mit dem Paraboloid 20, dem Zylinder 21 und dem zugehörigen Brennpunkt 23. Hier ist nun das Paraboloid 20 gedacht im Gegenuhrzeigersinn gekippt, zu einem gekippten Paraboloid 40 mit dem entsprechend verlagerten Brennpunkt 41 der durch ihren Rahmen 42 ersichtlichen, gekippten Facette 43.

[0023] Es sei. hervorgehoben, dass bis auf die bloss in der Höhe verschobenen Facetten jede der irgendwie verschobenen oder gekippten Facetten 26,43 einen anderen elliptischen Umfang gegenüber demjenigen der Facette 3 ́ des Paraboloids 20 besitzt. Auch sei erwähnt, dass das Paraboloid gedanklich auch in der senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufenden x Achse verschoben werden könnte. Im Ergebnis ist es so, dass damit für eine Facette die durch eine verschobenes/gekipptes Paraboloid gebildet wird, ein Brennpunkt an einem beliebigen Ort erzeugt werden kann, wobei diese Facette nach wie vor im Konzentrator 2, nämlich am Ort ihres Zylinders 21, 21 ́ liegt, also die dichte Packung des Konzentrators 2 im Grundriss (und damit überhaupt) unverändert geblieben ist.

[0024] Zusammenfassend ist es bevorzugt so, dass jede Facette ihrem Ort im Konzentrator entsprechend elliptisch ausgebildet ist, derart, dass ihr Umfang dem Schnitt eines zur Achse parallelen Zylinders mit einem Paraboloid entspricht.

[0025] Dies erlaubt, die Absorberanordnung den konstruktiven Notwendigkeiten folgend aufzubauen, ohne dass dadurch ein Verlust an konzentrierter Strahlung erfolgt, was die Effizienz des Kollektors im Ganzen verbessert.

[0026] Fig. 3a zeigt in der Grundrissebene x, y (Fig. 2a ) eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Konzentrators 49 mit 36 Facetten 50 bis 85, die in Gruppen zu sechs Facetten, nämlich die Facetten 50–55, 56–61, 62–67, 68–73, 74–79 und 80–85 zusammengefasst sind, wobei gedanklich jede der Facetten gebildet ist durch einen Zylinder, der auf dem Grundriss steht und der Konzentrator durch seinen rim angle φ sowie durch seinen Durchmesser vom Fachmann dem konkreten Fall entsprechend definiert ist (damit ebenso die Lage des Brennpunktes des Konzentrators).

[0027] Jede dieser Gruppen soll nun einen eigenen Brennpunkt (bzw. im Fall der real hergestellten Facetten: einen eigenen Brennbereich) erzeugen. Erfindungsgemäss wird entsprechend ein für alle Facetten der jeweiligen Facettengruppen 50–55, 56–61, 62–67, 68–73, 74–79 und 80–85 ein gedachtes Paraboloid, das Gruppen-Paraboloid, verschoben, so dass der Konzentrator 49 sechs Brennbereiche erzeugt. Beispielsweise erfolgt eine translatorische Verschiebung jedes Gruppen-Paraboloids radial nach aussen, entlang der grossen Achse der Facetten 1, 2, 3–50, 51, 52–56,57, 58–62, 63, 64–68, 69, 70 und 74, 75, 76 um je 150 mm (bei einem mittleren Durchmesser der Facetten von 100 cm), s. dazu die Beschreibung zu Fig. 5a unten. Mit anderen Worten ist es so, dass je sechs Facetten 50–55, 56–61, 62–67, 68–73, 74–79 und 80–85 auf einem nur ihnen gemeinsamen Gruppen-Paraboloid liegen, dessen Brennpunkt im jeweiligen gemeinsamen Brennpunkt oder Brennbereich liegt.

[0028] Fig. 3b zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Konzentrators 70 im Grundriss (x, y Ebene von Fig. 2a ) mit 36 Facetten 71, die ihrer Schattierung entsprechend in 7 Gruppen 72 bis 78 aufgeteilt sind, also je nach dem konkreten Fall bis auf die innerste Gruppe 72 durch je ein eigenes, verschobenes Gruppen-Paraboloid definiert sind und so 7 Brennbereiche erzeugen. Die Gruppen 72 bis 78 sind durch die gestrichelten bzw. strichpunktierten Linien angedeutet. S. dazu auch die Beschreibung zur Fig. 6a unten.

[0029] Fig. 3c zeigt einen weiteren Konzentrator 90 im Grundriss (x, y Ebene von Fig. 2a ) mit 90 Facetten 91, welcher im inneren Bereich 92 die Struktur des Konzentrators 70 (Fig. 3b ) besitzt, aber um Gruppen zu je drei Facetten 91 ergänzt worden ist, gemäss den die beispielhaft markierten und durch die gestrichelten Linien angedeuteten Gruppen 95 bis 98. Derart besitzt der Konzentrator 25 Brennbereiche, die vorzugsweise auch in der Höhe gestaffelt sind, s. dazu die Beschreibung zu Fig. 7a und 7b .

[0030] Fig. 4 zeigt einen Sekundärkonzentrator 100, der dem Fachmann als Trumpet-Konzentrator bekannt ist und im Wesentlichen Randstrahlung in den ihm zugeordneten Brennbereich reflektiert, die diesen sonst verfehlt hätte. Dies kommt auf Grund von im Wesentlichen optischen Fehlern in der realen Konstruktion vor.

[0031] Erfindungsgemäss wird nun solch ein Sekundärkonzentrator, bevorzugt ausgebildet als Trumpet-Konzentrator, verwendet, um den Umriss der konzentrierten Strahlung auf den Umriss der zugeordneten absorbierenden Oberfläche anzugleichen. Bezogen auf eine Absorberanordnung 10 mit rechteckigen absorbierenden Abschnitten 12 (die der jeweiligen photovoltaischen Zelle 12 entsprechen) ergibt sich dann mit Hilfe des Sekundärkonzentrators 100 ein angenähert rechteckiger Brennbereich 101 auf beispielsweise einer einzelnen photovoltaischen Zelle 12 (Fig. 1b ) oder einem anderen Abschnitt einer absorbierenden Oberfläche einer Absorberanordnung.

[0032] Es ergibt sich, dass vorzugsweise in Richtung der konzentrierten Strahlung vor den Brennbereichen Sekundärkonzentratoren, bevorzugt Trumpets vorgesehen sind, die die äussere Kontur des auf die Absorberanordnung einfallenden Strahlungsflusses definieren. Weiter ergibt sich, dass besonders bevorzugt die Absorberanordnung Absorberelemente mit je einer absorbierenden Oberfläche aufweist, und die Sekundärkonzentratoren derart ausgebildet sind, dass die Kontur des Strahlungsflusses wenigstens teilweise der Kontur der jeweiligen absorbierenden Oberfläche entspricht.

[0033] Fig. 5 zeigt nun in einer 3D Darstellung den Konzentrator 49 von Fig. 3a , wobei zur Entlastung der Figur nur die Facetten 50–55, 56–61, 62–67, 68–73, 74–79 und 80–85 dargestellt sind sowie die als Trumpets ausgebildeten Sekundärkonzentratoren 110 bis 115, also unter anderem die zugehörige Absorberanordnung mit ihrer absorbierenden Oberfläche sowie der Rahmen und der Träger für die Absorberanordnung des den Konzentrator 49 aufweisenden Kollektors weggelassen ist.

[0034] Beispielsweise der Sekundärkonzentrator 111 ist auf die Gruppe der Facetten 80 bis 85 gerichtet und erzeugt einen oberhalb der Sekundärkonzentratoren 110 bis 115 gelegenen Brennbereich. Unter anderem die gezeigte Anordnung gemäss Fig. 5 (wie auch die anderen erfindungsgemässen Anordnungen) ist deshalb als Sonnenkollektor mit einer zweidimensionalen Krümmung des eine Anzahl konzentrierender Facetten aufweisenden Konzentrators ausgebildet, mit einer Absorberanordnung für die konzentrierte Sonnenstrahlung, wobei der Konzentrator im Betrieb mehrere Brennbereiche an verschiedenen Orten erzeugt und die Absorberanordnung für alle Brennbereiche wirksam ist. Dabei konzentrieren Gruppen von Facetten (nämlich die Facetten die Facetten 50–55, 56–61, 62–67, 68–73, 74–79 und 80–85) die Sonnenstrahlung in je einen gemeinsamen Brennbereich, wobei alle Facetten, die Sonnenstrahlung in ihren gemeinsamen Brennbereich konzentrieren, als Facettengruppe auf einem nur ihnen gemeinsamen Gruppen-Paraboloid liegen, dessen Brennpunkt im jeweiligen gemeinsamen Brennbereich liegt.

[0035] Anhand der Fig. 3a und 5 ist ersichtlich, dass beispielsweise die Facetten einer Segmentgruppe nebeneinander in einer Ebene liegen. Ebenso ist ersichtlich, dass dann die absorbierende Oberfläche der zugehörigen Absorberanordnung senkrecht zur Achse A (Fig. 2a ) angeordnet werden kann, wobei dann die Konzentratoren 110 bis 115 die voneinander getrennten Brennbereiche, neben einander liegend, in dieser Ebene erzeugen, wie dies für eine Absorberanordnung beispielsweise in der Art gemäss derjenigen von Fig. 1b geeignet ist.

[0036] Es ergibt sich, dass dann die Absorberanordnung mehrere Absorberelemente mit je einer flachen absorbierenden Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen in einer Ebene liegen, welche bevorzugt senkrecht zur Achsrichtung verläuft. Dann ist weiter bevorzugt wobei in jedem-Brennbereich ein Absorberelement der Absorberanordnung mit einer bevorzugt flachen absorbierenden Oberfläche angeordnet und diese besonders bevorzugt auf die sie beleuchtenden Facetten ausgerichtet. Da die Strahlung der Sonne nicht als Parallelstrahlung einfällt, sondern unter einem Öffnungswinkel von ca. 0,27 Grad, ergibt sich notwendigerweise eine Verschlechterung der Konzentration überhaupt, also auch im idealen Paraboloid. Diese Verschlechterung wächst mit steigendem rim angle φ an, welcher den Winkel von der Achse A zum äussersten Rand des Paraboloids bzw. der äussersten Facette bezeichnet. Kann nun ein absorbierender Oberflächenabschnitt direkt auf seine Facettengruppe gerichtet werden, erscheint diese unter einem geringeren rim angle φ, als wenn dieser Oberflächenabschnitt senkrecht zur Achse A angeordnet wäre. Als Folge wird eine verbesserte Konzentration erreicht. Da eine Facettengruppe nicht notwendigerweise aus symmetrisch angeordneten Facetten besteht, kann muss der absorbierende, aber auf die Facettengruppe ausgerichtete Oberflächenabschnitt vom Fachmann im konkreten Fall optimal ausgerichtet werden, um die bestmögliche Steigerung der Konzentration zu realisieren.

[0037] Fig. 6a zeigt eine 3D Darstellung des Konzentrators 70 von Fig. 3b , mit den zugehörigen Sekundärkonzentratoren 120. Durch die gestrichelten/strichpunktierten Linien sind einzelne Gruppen von Facetten markiert, die einen ihnen jeweils zugeordneten Sekundärkonzentrator 120 beleuchten, wobei dann die konzentrierte Sonnenstrahlung hinter den Sekundärkonzentratoren 120 auf die wiederum zur Entlastung der Fig. weggelassene Absorberanordnung fällt, die er-findungsgemäss einfach aufgebaut sein kann, da der Konzentrator 70 der Geometrie der getrennt liegenden Abschnitten ihrer absorbierenden Oberfläche entsprechend ausgebildet ist.

[0038] Fig. 6b zeigt eine 3D Ansicht der Konzentratoren 120 von Fig. 6a . Schematisch dargestellt ist eine Absorberanordnung 121 mit ihrer absorbierenden Oberfläche 122, die in voneinander getrennte Abschnitte 123 segmentiert ist, so dass auf jedem Abschnitt ein Brennbereich gemäss den Segmentgruppen 72 bis 78 liegt.

[0039] Aus den Fig. 3b und 6b geht hervor, dass die Segmentgruppen sich überlappen können. Beispielsweise umfassen die Facetten der Facettengruppe 76 eine Facette der Facettengruppe 72. Die, Facetten einer Facettengruppe können also in einer anderen Gruppe liegen, mit anderen Worten können die Gruppen mit anderen Gruppen durchmischt sein.

[0040] Fig. 7a zeigt eine 3D Ansicht des Konzentrators 90 von Fig. 3c zusammen mit den zugeordneten Konzentratoren 130. Fig. 7b zeigt die Konzentratoren 130, wobei ersichtlich ist, dass die Brennbereiche übereinander gestaffelt in drei Höhen angeordnet sind, nämlich auf der Höhe 140,141 und 142 (derart, dass wobei Brennbereiche in Achsrichtung auf verschiedener Höhe liegen). Eine solche Konfiguration wird erreicht durch die Kombination des Vorgehens gemäss den Fig. 2b und 2c .

[0041] Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform sind, s. dazu Fig. 2 , Paraboloidachsen von Paraboloiden von Segmentgruppen gegenüber der Achsrichtung geneigt.

[0042] Den hier gezeigten Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die mehreren Brennbereiche um einen Punkt auf einer Symmetrieachse des Konzentrators herum gruppiert sind, wie es etwa der Fall ist, wenn die verschiedenen Abschnitte der absorbierenden Oberfläche um einen Teil der Absorbervorrichtung herum angeordnet sind. Dies ist aber nicht zwingend – etwa dann, wenn der Konzentrator nicht im Wesentlichen ein volles Paraboloid abdeckt, sondern nur einen Abschnitt davon, beispielsweise die eine Hälfte.

[0043] Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Konzentrators zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Schritt ein Grund-Paraboloid mit dem Durchmesser und dem rim angle φ gemäss dem herzustellenden Konzentrator und in dessen Grundriss die Anordnung seiner Facetten bestimmt werden, in einem weiteren Schritt die Facettengruppen definiert und diesen virtuell ein eigenes Gruppen-Paraboloid zugeordnet wird, in einem nachfolgenden Schritt jedes Gruppen-Paraboloid derart bewegt wird, dass sein Brennpunkt an einem vorbestimmten, der Ausbildung der Absorberanordnung entsprechenden Ort liegt. Auf diese Weise können die Brennbereiche einer einfachen bzw. kostengünstigen Absorberanordnung angepasst werden, so dass alle konzentrierte Strahlung durch die Absorberanordnung verwertet werden kann, mithin Verluste an der Absorberanordnung nicht mehr oder nur in geringem Mass auftreten. Zudem ist es auch möglich, iterativ die Brennbereiche des Konzentrators und die Absorberanordnung auf einander abzustimmen, um einen im Hinblick auf die Effizienz und Kosten optimalen Konzentrator zu erhalten.

[0044] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Gruppen-Paraboloide jeder Segmentgruppe translatorisch um den gleichen Abstand von der Achse des Grund-Paraboloids werden, derart, dass die Brennpunkte jeder Segmentgruppe regelmässig, bevorzugt symmetrisch zur Achse angeordnet sind. Ein solcher Konzentrator ist beispielsweise in Fig. 3a gezeigt.

[0045] Schliesslich werden wobei die Facetten bevorzugt definiert, indem deren Umfang aus dem Schnitt eines achsparallelen Zylinders mit dem Grund- Paraboloid bestimmt wird, und wobei weiter bevorzugt die Lage der Facetten im Grundriss des Grund-Paraboloids unverändert bleibt, wenn ihr Gruppen-Paraboloid zur Lageänderung ihrer Brennbereiche bewegt wird.

[0046] In einer Alternative ist es natürlich auch möglich, dass das Gruppen-Paraboloid mitsamt den Zylindern verschoben wird – allerdings wird dann eine dichteste Packung des Konzentrators mit Facetten nicht mehr möglich sein, was eine zunehmende Empfindlichkeit des Konzentrators gegen Windangriff und auch eine Zunahme an Gewicht und Kosten bedeutet.

Claims (16)

1. Sonnenkollektor mit einer zweidimensionalen Krümmung des eine Anzahl konzentrierender Facetten aufweisenden Konzentrators und einer Absorberanordnung für die konzentrierte Sonnenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator im Betrieb mehrere Brennbereiche an verschiedenen Orten erzeugt und die Absorberanordnung für alle Brennbereiche wirksam ist.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei Gruppen von Facetten die Sonnenstrahlung in einen gemeinsamen Brennbereich konzentrieren und alle Facetten, die Sonnenstrahlung in den gemeinsamen Brennbereich konzentrieren, als Facettengruppe auf einem nur ihnen gemeinsamen Gruppen -Paraboloid liegen, dessen Brennpunkt im jeweiligen gemeinsamen Brennbereich liegt.

3. Sonnenkollektor nach Anspruch 2, wobei die Facetten einer Facettengruppe nebeneinander liegen.

4. Sonnenkollektor nach Anspruch 2, wobei verschiedene Facettengruppen sich überlappen, derart, dass innerhalb einer Facettengruppe Facetten einer anderen Facettengruppe liegen.

5. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Brennbereiche in einer Ebene senkrecht zur Achsrichtung (Achse Def mit aus Zentrum der Sonne einfallenden Stahlen) des Konzentrators liegt.

6. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Absorberanordnung mehrere Absorberelemente mit je einer flachen absorbierenden Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen in einer Ebene liegen, welche bevorzugt senkrecht zur Achsrichtung verläuft ist.

7. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei in jedem Brennbereich ein Absorberelement der Absorberanordnung mit einer bevorzugt flachen absorbierenden Oberfläche angeordnet und diese besonders bevorzugt auf die sie beleuchtenden Facetten ausgerichtet ist.

8. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei Brennbereiche in Achsrichtung auf verschiedener Höhe liegen.

9. Sonnenkollektor nach Anspruch 2, wobei Paraboloidachsen von Paraboloiden von Segmentgruppen gegenüber der Achsrichtung geneigt sind.

10. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die mehreren Brennbereiche um einen Punkt auf einer Symmetrieachse des Konzentrators herum gruppiert sind.

11. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei in Richtung der konzentrierten Strahlung vor den Brennbereichen Sekundärkonzentratoren, bevorzugt Trumpets vorgesehen sind, die die äussere Kontur des auf die Absorberanordnung einfallenden Strahlungsflusses definieren.

12. 1Sonnenkollektor nach Anspruch 11, wobei die Absorberanordnung Absorberelemente mit je einer absorbierenden Oberfläche aufweist, und die Sekundärkonzentratoren derart ausgebildet sind, dass die Kontur des Strahlungsflusses wenigstens teilweise der Kontur der jeweiligen absorbierenden Oberfläche entspricht.

13. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dass jede Facette ihrem Ort im Konzentrator entsprechend elliptisch ausgebildet ist, derart, dass ihr Umfang dem Schnitt eines zur Achse parallelen Zylinders mit einem Paraboloid entspricht.

14. Verfahren zur Herstellung eines Sonnenkollektors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein Grund-Paraboloid mit dem Durchmesser und dem rim angle φ gemäss dem herzustellenden Konzentrator und in dessen Grundriss die Anordnung seiner Facetten bestimmt werden, in einem weiteren Schritt die Facettengruppen definiert und diesen virtuell ein eigenes Gruppen-Paraboloid zugeordnet wird, in einem nachfolgenden Schritt jedes Gruppen-Paraboloid derart bewegt wird, dass sein Brennpunkt an einem vorbestimmten, der Ausbildung der Absorberanordnung entsprechenden Ort liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Gruppen-Paraboloide jeder Segmentgruppe translatorisch um den gleichen Abstand von der Achse des Grund-Paraboloids entfernt werden, derart, dass die Brennpunkte jeder Segmentgruppe regelmässig, bevorzugt symmetrisch zur Achse angeordnet sind.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Facetten definiert werden, indem deren Umfang aus dem Schnitt eines achsparallelen Zylinders mit dem Grund- Paraboloid bestimmt wird, und wobei bevorzugt die Lage der Facetten im Grundriss des Grund-Paraboloids unverändert bleibt, wenn ihr Gruppen-Paraboloid zur Lageänderung ihrer Brennbereiche bewegt wird.