CH710136A1 - Verfahren zum Herstellen eines in zwei Dimensionen gekrümmten Konzentrators für einen Sonnenkollektor. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines in zwei Dimensionen gekrümmten Konzentrators mit einer im Betrieb druckbelasteten konzentrierenden Membran, die für verbesserte Konzentration durch über die Druckbelastung p A hinaus zu einer Druckbelastung p B überformt und danach wieder teilweise bis zu einer Druckbelastung p C entlastet wird. Dadurch lässt sich eine höhere Konzentration realisieren, als es ohne Überformung möglich ist.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines in zwei Dimensionen gekrümmten Konzentrators nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Sonnenkollektor mit einem nach diesem Verfahren hergestellten Konzentrator nach Anspruch 12.

[0002] In zwei Dimensionen gekrümmte Konzentratoren sind bekannt und werden in Dish- oder Parabolkollektoren mit einem einzigen solchen Konzentrator oder mit einer Anzahl solcher Konzentratoren verwendet.

[0003] In der Regel weisen solche Parabol-Kollektoren einen Durchmesser von 5 bis 10 m auf, wobei an einem Gerüst einer oder mehrere einzelne Spiegel derart angebracht sind, dass ein ideales (d.h. geometrisch korrektes) Paraboloid so gut wie möglich angenähert ist. Zwar ergeben sich im Fall mehrerer Spiegel durch die zwischen den Spiegeln vorhandenen Zwischenräume Verluste, die aber durch die enormen Herstellkosten eines durchgehenden Parabolspiegels dieser Grösse ohne weiteres in Kauf genommen werden können. Zudem sind die einzelnen Spiegel häufig nur sphärisch oder gar nicht gekrümmt, im Gerüst aber auf den Brennpunkt des (idealen) Paraboloids ausgerichtet, so dass sich im Ganzen eine akzeptable Konzentration des Sonnenlichts bei vertretbaren Kosten ergibt.

[0004] Eine industrielle Verwendung solcher Parabolspiegel ist trotz dem Bau verschiedenere grösserer Solarkraftwerke heute nicht oder kaum vorhanden.

[0005] Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling-Systeme, die Parabol-Kollektoren der oben genannten Art verwenden, Solarturmkraftwerkssysteme, bei denen die Sonnenstrahlung ebenfalls auf einen Punkt konzentriert wird und Parabolrinnensysteme, in denen die Sonnenstrahlung auf eine Linie konzentriert wird.

[0006] Dabei wird heute von Solarkraftwerken (im Wesentlichen durch Parabolrinnenkraftwerke) in industriellem Massstab Strom produziert wird, wobei Dish-Kollektoren sich nach wie vor zur Stromerzeugung in grösserem Mass nicht durchgesetzt haben.

[0007] Mehr und mehr beschäftigt sich die Forschung mit der Anwendung von Solarenergie bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise durch zweidimensional gekrümmte Konzentratoren (im Gegensatz zu eindimensional gekrümmten Konzentratoren der Parabol-Rinnenkraftwerke) grundsätzlich erreichbar sind, wenn die entsprechend notwendigen Konzentratoren zu vertretbaren Kosten bereitgestellt werden könnten.

[0008] Ein Beispiel sind erneuerbare Brennstoffe wie beispielsweise Wasserstoff, der umweltneutral mit Sauerstoff zu Wasser verbrannt werden kann. Umweltneutral erfolgt auch die Thermolyse, d.h. für die Produktion von Wasserstoff aus Wasser, wobei allerdings dazu Temperaturen über 2200 °C erforderlich sind. Eine breit einsetzbare Technik ist heute noch nicht vorhanden. Geringere Temperaturen, aber immer noch Temperaturen im Bereich von 1500 °C bis 2000 °C, verlangen zweistufige Wasserspaltungszyklen, die auf sogenannten Metalloxid-Redox-Systemen basieren. Die erforderlichen Temperaturen können mit Dish-Kollektoren, die zweidimensional gekrümmte Konzentratoren aufweisen, erreicht werden.

[0009] Für solche Anwendungen – d.h. für die Produktion von Solarenergie bei Temperaturen über 1000 °C, ist ein Dish-Kollektor durch die WO 2010/072 410 bekannt geworden, der eine Anzahl von druckbelasteten, aus einer Kunststoffmembran bestehenden, elliptisch ausgebildeten Einzelkollektoren aufweist, welche die Wand eines Paraboloids nachbilden, in einen gemeinsamen Brennbereich konzentrieren, und so erstmals eine genügende Konzentration des Sonnenlichts für Temperaturen über 1500 °C ermöglicht.

[0010] Zusammenfassend sind im Stand der Technik Konzentratoren bekannt, welche durch pneumatische Druckbelastung soweit belastet werden, bis sie einen für den konkreten Konzentrator minimalen Brennbereich erzeugen, in welchem eine Absorbervorrichtung angeordnet wird, welche die konzentrierte Sonnenstrahlung verwertet. Je keiner der Brennbereich ausfällt, desto höher ist die erzielbare geometrische Konzentration des Konzentrators, wobei die zugehörige Absorbervorrichtung im konkreten Fall eine flache oder eine im Querschnitt kreisförmige absorbierende Oberfläche haben kann, über welche die geometrische Konzentration bestimmt wird. Immer liegt real ein Brennbereich und nicht ein Brennpunkt vor, da durch druckbelastete Konzentratoren ein Paraboloid, bzw. ein Ausschnitt aus einem Paraboloid gemäss der WO 2010/072 410, der Natur der Sache nach nur angenähert werden kann.

[0011] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte druckbelastete Konzentratoren bereitzustellen, die bei einem Dish-Kollektor als einziger Konzentrator oder auch Einzel-Konzentrator im Verbund für die Nachbildung eines Paraboloids im Sinn der WO 2010/072 410 eingesetzt werden können.

[0012] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und durch einen Sonnenkollektor mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 12.

[0013] Dadurch, dass ein erfindungsgemässer Konzentrator plastisch um ein bestimmtes, für jedes Material individuelles Mass bis zu einer zweiten Deformation überformt wird (d.h. weiter verformt wird, als es zur Erzeugung eines minimal kleinen Brennbereichs – der ersten Deformation – notwendig ist), können höhere Konzentrationen erreicht werden, als es bis heute bei pneumatisch deformierten Konzentratoren der Fall ist, da der Brennbereich der dritten Deformation (d.h. der Brennbereich im Betrieb des erfindungsgemässen Konzentrators) kleiner ist als der Brennbereich der ersten Deformation (d.h. dem Brennbereich gemäss dem Stand der Technik).

[0014] Dies hat zur Folge, dass durch die vorherige Überformung die immer noch notwendige Druckbelastung für die betriebsfähige Krümmung des Konzentrators kleiner ist als im Stand der Technik, wobei aber, wie erwähnt, die geometrische Konzentration des erfindungsgemässen (überformten und wieder entlasteten) Konzentrators höher ist als diejenige eines druckbelastet gekrümmten, aber nicht überformten Konzentrators gemäss dem Stand der Technik.

[0015] Über die gestellte Aufgabe hinaus sind erfindungsgemäss mögliche metallische Konzentratoren vorteilhaft, da diese gegen Sonnenlicht resistent sind. Zwar sind Kunststoffmembrane des Stands der Technik (beispielsweise aus einem unter der Bezeichnung Mylar bekannt gewordenen Material) mit einer reflektierenden metallischen Aluminiumschicht bedampft. Im Betrieb des mit einer Kunststoffmembran versehenen Kollektors wird diese jedoch elastisch gedehnt, was in der reflektierenden Schicht Risse erzeugt. Das Sonnenlicht dringt durch diese Risse in das Kunststoffmaterial ein und zerstört dessen notwendige Eigenschaften über die Zeit. Derselbe Effekt ergibt kann sich ebenfalls durch Kriechen der Kunststoffmembran ergeben. Lichtresistente Kunststoffmembrane besitzen andere notwendige Eigenschaften für den Gebrauch als konzentrierende, druckbelastete Kunststoffmembran in der Regel nicht.

[0016] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt: <tb>Fig. 1a<SEP>einen Dish-Kollektor gemäss dem Stand der Technik mit einer Anzahl von Einzelkonzentratoren, die eine druckbelastete Kunststoffmembran aufweisen, <tb>Fig. 1b<SEP>schematisch die Deformation einer Membran mit verschiedener Druckbelastung sowie die resultierende Konzentration, <tb>Fig. 2<SEP>schematisch die verschiedenen Deformationsstufen einer Membran gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren, <tb>Fig. 3<SEP>schematisch ein Diagramm mit dem Dehnungsverhalten einer Aluminiummembran gegenüber einer Kunststoffmembran, <tb>Fig. 4<SEP>ein Diagramm mit dem durch eine Simulation gewonnenen Vergleich der Abweichung der Membran von der idealen Parabelform in Abhängigkeit einer zu kleinen, zu hohen oder optimalen Überformung, <tb>Fig. 5<SEP>ein Diagramm, mit der durch eine Simulation bestimmten Anteile der plastischen und elastischen Verformung einer erfindungsgemäss hergestellten Membran, <tb>Fig. 6a und 6b<SEP>Diagramme, nach welchen für einen vorbestimmten rim angle ϕ die Streckgrenze des Materials der Membran derart ausgewählt werden kann, dass dessen Konzentration für diesen rim angle ϕ bei der ersten Deformation verbessert, bevorzugt maximiert werden kann, und <tb>Fig. 7a und 7b<SEP>Diagramme, nach welchen für einen vorbestimmten rim angle ϕ der E-Modul des Materials der Membran derart ausgewählt werden kann, dass dessen Konzentration für diesen rim angle ϕ bei der ersten Deformation verbessert, bevorzugt maximiert werden kann.

[0017] Fig. 1a zeigt einen Sonnenkollektor 1 gemäss dem Stand der Technik wie er beispielsweise in der WO 2011/072 410 offenbart ist, mit einem zweidimensional gekrümmten Konzentrator, der hier eine Anzahl von Einzelkonzentratoren 2 aufweist, welche Sonnenstrahlen 3 auf die absorbierende Oberfläche 4 einer Absorberanordnung 5 konzentrieren. Dazu bilden die Einzelkonzentratoren 2 die Oberfläche eines (gedachten) Paraboloids 6 nach, dessen Brennpunkt auf der absorbierenden Oberfläche 4 liegt. Die Einzelkonzentratoren 2 weisen eine elliptische Einspannung 7 für eine im Betrieb druckbelastete, reflektierende Kunststoffmembran 8 auf, wobei die elliptische Einspannung auf der Oberfläche des Paraboloids liegt, also auf die jeweilige Lage eines Einzelkonzentrators 2 im Paraboloid abgestimmt ist und so die Krümmung des Paraboloids besonders gut annähert, was wiederum zu einer hohen geometrischen Konzentration cgder Anordnung führt. Die geometrische Konzentration cgist als Verhältnis der konzentrierenden Fläche des Konzentrators bei vertikaler Ausrichtung im Grundriss zur absorbierenden Oberfläche der Absorberanordnung bekannt. Die geometrische Konzentration wird oft noch reduziert durch die reale Konstruktion, die beispielsweise eine Beschattung des Konzentrators verursacht, was durch den Intercept-Faktor berücksichtigt wird.

[0018] Da durch die druckbelastete, reflektierende Kunststoffmembran die Wand des Paraboloids nur angenähert nachgebildet werden kann, besitzen die Einzelkonzentratoren 2 nicht einen Brennpunkt, sondern einen Brennbereich, in welchem die absorbierende Oberfläche 4 liegt, wobei diese häufig flach ausgebildet ist und sich im Wesentlichen über den ganzen Brennbereich erstreckt, so dass alle der konzentrierten Sonnenstrahlen 3 ́ verwertet werden können.

[0019] Fig. 1b zeigt den Aufbau eines in zwei Dimensionen gekrümmten, Konzentrators 10, dessen druckbelastete, reflektierende Membran 11 an einer Unterdruckkammer 12 angeordnet ist, die im Betrieb einen Unterdruck von –Δp erzeugt, so dass die entlang ihrem Umfang 14 gestützte reflektierende Membran 11 durch den auf ihrer anderen Seite herrschenden höheren Druck druckbelastet ist und sich entsprechend deformiert. Die Deformation ist symmetrisch zu einer Symmetrieachse 13 der Membran 11. Solche Anordnungen sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise aus der oben erwähnten WO 2011/072 410. Häufig, aber nicht notwendigerweise, ist die Membran 11 in einer Druckzelle angeordnet, welche hier zur Entlastung der Figur weggelassen ist. Ebenfalls weggelassen ist eine absorbierende Oberfläche einer Absorberanordnung, welche hier horizontal (senkrecht zur Symmetrieachse 13) in den nachstehend beschriebenen, schematisch dargestellten Brennbereichen 15 bis 17 angeordnet ist, um die durch die Membran 11 ihrer Deformation entsprechend konzentrierte Strahlung zu absorbieren bzw. zu verwerten.

[0020] Weiter sind in der Fig. 1b zwei Koordinatensysteme Q, z und cg, z ersichtlich. Das Koordinatensystem Q, z zeigt die Kurve 22, welche die halbe Breite des sich während der Deformation ändernden Brennbereichs der Membran 11 anzeigt. Im Koordinatensystem cg, z ist mit der Kurve 23 die aus dem Brennbereich der Membran 11 resultierende geometrische Konzentration cgangegeben.

[0021] Weiter dargestellt sind drei Deformationsstufen A ́, A und A ́ ́ der Membran 11 dargestellt, welche sich je nach der herrschenden Druckbelastung (her: durch den in der Unterdruckkammer eingestellten Unterdruck –Δp ́,–Δp, –Δp ́ ́) ausbilden. Die Membran 11 kann dabei elastisch oder auch plastisch verformt sein, was abhängt vom Radius R der Membran, dem so genannten rim angle ϕ und dem für die Membran 11 verwendeten Material.

[0022] Der rim angle ϕ bezeichnet den Winkel zwischen der Symmetrieachse 13 der Membran 11 und dem Rand 14 der Membran 11, sein Scheitel liegt im Fall einer parabolischen Krümmung der Membran 11 in deren Brennpunkt F. Da vorliegend eine parabolische Krümmung nicht erreicht werden kann, ergeben sich aus den Deformationen A ́, A und A ́ ́ drei Brennbereiche 15, 16 und 17, wobei der Scheitelpunkt des rim angle ϕ jeweils in der Mitte der Brennbereiche 15 bis 17, also auf der Symmetrieachse 13 liegt.

[0023] Herrscht in der Unterdruckkammer 12 derselbe Druck wie oberhalb der Membran 11, ist diese nicht deformiert, also eben. Mit erhöhtem Unterdruck deformiert sich die Membran 11 zuerst gemäss der gestrichelten Linie 18 (Unterdruck –Δp ́, Deformation A ́) und erzeugt einen Brennbereich 15, dann gemäss der ausgezogenen Linie 19 (Unterdruck –Δp, Deformation A) und erzeugt einen Brennbereich 16, schliesslich deformiert sich die Membran 11 gemäss der strichpunktierten Linie 19 (Unterdruck –Ap ́ ́, Deformation A ́ ́). Wie erwähnt, ist die (halbe) Breite des sich laufend mit dem Unterdruck ändernden Brennbereichs durch die Kurve 22 wiedergebeben, sie hat ein Minimum bei der Deformation A, ist also bei kleinerer und bei grösserer Deformation der Membran 11 grösser. Entsprechend hat die durch die Kurve 23 dargestellte geometrische Konzentration cgbei der Deformation A ein Maximum. Die Deformation A wird nachstehend als «erste Deformation» der Membran 11 bezeichnet, als Abgrenzung zur zweiten und dritten Deformation gemäss der vorliegenden Erfindung. Die erste Deformation wird gemäss dem Stand der Technik verwendet, um elastische oder plastisch verformte Membrane für maximale Konzentration einzustellen.

[0024] Durch die Deformation aufgrund der Druckbelastung dehnt sich die Membran 11 und erreicht bis zur ersten Deformation (Deformation A) je nach ihrem Material die Elastizitäts- oder Streckgrenze, so dass sie – materialabhängig – nur elastisch oder auch plastisch gedehnt ist. Es kann auch gesagt werden, dass die elastische oder auch plastische Deformation in Abhängigkeit vom rim angle ϕ erfolgt.

[0025] Zusammenfassend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so, dass die Deformationen des Konzentrators durch ein dessen ganze konzentrierende Fläche beschlagendes Fluid erzeugt werden, und wobei das Fluid bevorzugt ein Gas ist, besonders bevorzugt Luft, dessen Druck unter dem Umgebungsdruck liegt.

[0026] Fig. 2 zeigt in einem Diagramm 30, auf dessen horizontaler Achse, der «Druckachse», die ändernde Druckbelastung p der druckbelasteten Membran aufgetragen ist, wobei es der Natur der Sache nach keine Rolle spielt, ob die Druckbelastung als auf der konvexen Seite der Membran auftretender Unterdruck –p in einer Druckkammer 12 (Fig. 1b ) oder als auf der konkaven Seite der Membran lastender Überdruck +p gesehen wird, p wächst nach rechts an.

[0027] Die untere vertikale Achse Q zeigt die Breite des mit der Deformation der Membran einhergehenden Brennbereichs und die obere vertikale Achse cgdie erzielbare geometrische Konzentration der Membran.

[0028] Die Kurven 31, 32 zeigen nun die Breite des Brennbereichs Q und die resultierende geometrische Konzentration cg, wenn die Druckbelastung ausgehend vom Umgebungsdruck pulaufend gesteigert wird, über die erste Deformation bei der Druckbelastung pAhinaus bis zu einer Druckbelastung pB, die eine zweite Deformation der Membran erzeugt. Auf den Kurven 31, 32 sind die erste und die zweite Deformation durch die Punkte PAund PBmarkiert.

[0029] Da nach der ersten Deformation die Breite des Brennbereichs laufend ansteigt und die Konzentration laufend fällt, zeigt die Membran bei der zweiten Deformation eine gegenüber der ersten Deformation wesentlich verschlechterte Konzentration.

[0030] Erfindungsgemäss wird nun für die Membran ein Material gewählt, welches sich zwischen den Punkten PAund PBelastisch deformiert, da die aufgezwungene Dehnung (durch den wachsenden rim angle ϕ) dessen Elastizitätsgrenze übersteigt, womit eine nicht reversible Verformung der Membran durch eine Überformung entsteht. Diese Überformung zeigt aber mit steigendem Fortschritt immer schlechtere Konzentrationswerte, wie dies aus den Kurven 31, 32 rechts vom Punkt PAersichtlich ist.

[0031] Weiter wird erfindungsgemäss nach Erreichen der zweiten Deformation im Punkt PBdie Druckbelastung p wieder gesenkt, wobei jetzt die Breite des Brennbereichs bzw. die geometrische Konzentration nicht mehr entlang der Kurven 31, 32 zurückläuft, sondern entlang der Kurven 33, 34, die eine erheblich grössere Steigung besitzen als die Kurven 31, 32. Die Druckbelastung p wird laufend gesenkt, bis zu einer Druckbelastung pC(Punkt PCauf den Kurven 33, 44) bei welchem für die Breite des Brennbereichs ein zweites Minimum bzw. die Konzentration ein zweites Maximum erreichen (welches kleiner ist als das erste Minimum des Brennbereichs und grösser als das erste Maximum der Konzentration). Dort liegt die dritte Deformation vor, mit der gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbesserten Konzentration.

[0032] Diese verbesserte Konzentration ist jedoch nur realisierbar, wenn die Druckbelastung bei der zweiten Deformation wieder gesenkt wird, sonst nicht. Ersichtlich sind die beispielhaft eingezeichneten gestrichelten Kurven 35, 36 und 37, 38 die zeigen, dass sich die Konzentration der druckbelasteten Membran weiterhin verschlechtert, wenn die Umkehr der gesteigerten Druckbelastung vor oder nach der zweiten Deformation, d.h. statt im Punkt PBin einem Punkt PXoder Punkt PY(entsprechend einer Druckbelastung pX, pY) vorgenommen wird.

[0033] Zusammenfassend ergibt sich ein Verfahren zum Herstellen eines in zwei Dimensionen gekrümmten Konzentrators, dadurch gekennzeichnet, dass eine entlang ihrem Umfang gestützte Membran durch Druckbelastung p deformiert wird, derart, dass sich ein Brennbereich ausbildet, der sich bei steigender Druckbelastung p laufend verkleinert, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbelastung p über eine erste Deformation hinaus, bei welcher der Brennbereich ein erstes Minimum erreicht hat, weiter erhöht wird, bis zu einer zweiten Deformation, und danach wieder zurückgenommen wird, bis eine dritte Deformation erreicht ist, wobei die zweite Deformation derart gewählt wird, dass der Brennbereich der dritten Deformation kleiner ist als derjenige der ersten Deformation und wobei ein Material für die Membran verwendet wird, welches wenigstens zwischen der zweiten und der dritten Deformation plastisch deformiert.

[0034] Die zweite Deformation kann durch einfachen Versuch gefunden werden, oder durch eine Simulationsrechnung, welche durch ray tracing zu bestätigen ist. Der Versuch basiert darauf, dass es erfindungsgemäss eine zweite Deformation, d.h. eine Druckbelastung pBgibt, d.h., dass bei systematischem überschreiten der Druckbelastung pAund je nachfolgendem Entlasten plötzlich eine Kurve 33, 34 auftritt, auf welcher sich die Deformation der Membran derart ausbildet, dass die Konzentration bei der Druckbelastung pAübertroffen wird. Dann wird auf der sich ergebenden Kurve 33, 34 bis zum (zweiten) Maximum der Konzentration bzw. zum (zweiten) Minimum des Brennbereichs weitergefahren, worauf die Druckbelastung pCfür die dritte Deformation vorliegt.

[0035] An dieser Stelle sei angemerkt, dass im Fall der Bestimmung der erfindungsgemäss maximal erreichbaren Konzentration einer Membran durch eine Simulation wenigstens die dritte Deformation, bevorzugt alle Deformationen der Membran, durch eine Simulation bestimmt werden.

[0036] Bevorzugt erfolgt die systematisch Überschreitung der Druckbelastung pAin kleinen Schritten, in welchen die Druckbelastung jeweils beispielsweise um 2% bis 5% von pAgesteigert wird. Dieses Vorgehen stellt sicher, dass durch Herantasten die Druckbelastung für die zweite Deformation nicht überschritten ist, da sonst durch Überformung nach pAgemäss der Kurve 37, 38 eine verbesserte Konzentration nicht mehr möglich ist.

[0037] Da die Druckbelastung pAnicht aus einem diskreten Wert besteht, sondern in einem schmalen Intervall liegt, kann deren optimaler Wert durch Veränderung in Schritten von weniger als 1% gesucht werden.

[0038] Umgekehrt kann natürlich durch den Versuch an einer Anzahl von noch nicht deformierten, identischen Membranen im Sinn der Eingabelung vorgenommen werden, indem unmittelbar nach der Druckbelastung für eine Membran ein höchstwahrscheinlich zu tiefer und für eine andere Membran ein höchstwahrscheinlich zu hoher Wert für eine Versuchsdruckbelastung gewählt wird und dann durch laufende Erhöhung bzw. Verringerung der Versuchsdruckbelastung an weiteren Paaren von Membranen rasch gegen die Druckbelastung pAkonvergiert wird.

[0039] Es ergibt sich erfindungsgemäss, dass bei einer Ausführungsform der Erfindung die Druckbelastung pB für die zweite Deformation ausgehend von der ersten Deformation schrittweise gesteigert wird, und nach jedem Schritt wieder zurückgenommen wird, um die Existenz einer dritten Deformation zu überprüfen, und die schrittweise Steigerung so lange erfolgt, bis eine dritte Deformation vorliegt.

[0040] Dabei wird bevorzugt nach dem Vorliegen einer dritten Deformation die Druckbelastung pBfür die zweite Deformation, welche die Existenz einer dritten Deformation zur Folge hat, weiter in kleineren Schritten schrittweise gesteigert wird, solange, bis der Brennbereich der aktuellen dritten Deformation minimal ist.

[0041] Schliesslich kann auch bei einer weiteren Ausführungsform ein Vergleich zwischen je nicht deformierten, gleichen Membranen vorgenommen werden, die mit verschiedenen zweiten Deformationen deformiert, deren jeweilige Konzentration bei dem Vorliegen einer dritten Deformation bestimmt und diejenige zweite Deformation ausgewählt wird, bei welcher die höchste Konzentration erreicht wird, und wobei bevorzugt die Druckwerte für die zweite Deformation zwischen einem tiefen und einem hohen Ausgangswert eingegabelt werden, um eine dritte Deformation, bevorzugt mit der optimalen Konzentration, zu finden.

[0042] Fig. 3 zeigt ein Diagramm 40 mit einer Kurve 41 für das Dehnungsverhalten einer Aluminiummembran mit 0,2 mm Dicke von Alanod Solar, die eine Gesellschaft der Alanod Gruppe ist. Das Aluminium trägt die Bezeichnung «MIRO High Reflective 95» und hat eine hohe Reinheit von 99,9% wie sie für eine optisch glatte Oberfläche von Vorteil ist. Dieses Material liegt den nachfolgenden Ausführungen zu Grunde und wird nachfolgend als «das Aluminium» bezeichnet. Zum Vergleich ist durch die Kurve 42 das Dehnungsverhalten von Mylar dargestellt. Gemäss der Kurve 41 beginnt das Aluminium im Bereich einer Dehnung e von ca. 0,25% plastisch zu verformen, ist also als Membran erfindungsgemäss verwendbar, der herzustellende Konzentrator einen rim angle ϕ aufweist, der gross genug ist, um spätestens nach der ersten Deformation unter der Druckbelastung pAplastisch zu deformieren. Natürlich gehört zur Materialwahl auch, dass deren plastische Deformation nicht zu früh einsetzt bzw. die Dehnung bis zur zweiten Deformation nicht so gross ist, dass die zweite Deformation der theoretischen Kennlinie des Materials entsprechend zwar möglich wäre, das Material aber in der Realität unter der für die zweite Deformation notwenigen Druckbelastung pBzerstört wird. Der Fachmann kann aus den Angaben gemäss der vorliegenden Beschreibung jedoch für den konkret zu konzipierenden Konzentrator ein geeignetes Material finden.

[0043] In den Fig. 4 bis 6b werden die simulierten Resultate einer erfindungsgemäss druckbelasteten Membran aus dem Aluminium (MIRO High Reflective 95) dargestellt, wobei für eine vereinfachte Rechnung ein konstanter rim angle ϕ von 20°, eine (für saubere, faltenfreie Einspannung) Vorspannung auf der Unterdruckkammer von 0,01%, ein Radius R von 0,25 m und eine Dicke der Membran von 0,2 mm gewählt worden sind. Als Materialkonstanten wurden eine Poisson’s ration von 0,33 und eine Dichte von 2705 kg/m<3>verwendet.

[0044] Es folgt, dass in einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens für eine vereinfachte Simulation ein Radius R des Konzentrators und ein Ort seines Brennbereichs, bevorzugt durch seinen rim angle ϕ, angenommen werden.

[0045] Die Simulation durch die FEM-Methode (Software: ANSYS Mechanical APDL 14.5-Element Type: SHELL181 or SHELL281 Material Model: Multilinear Isotropie Hardening (MISO) ausgeführt, kann aber durch den Fachmann mit anderen, ihm bekannten Tools ebenfalls durchgeführt werden. Das anschliessende Raytracing kann beispielsweise mit der Software LightTools 8.1.0 von Synopsis oder einem anderen, geeigneten Tool vorgenommen werden.

[0046] Fig. 4 zeigt ein Diagramm 50 auf dessen horizontaler Achse der Radius der Membran und auf dessen vertikaler Achse der Abstand zu einer Parabel mit dem Radius der Membran und dem rim angle ϕ = 20° aufgetragen ist. Die Linie Δz = 0 entspricht damit über den ganzen Radius dem Ort der Parabel bzw. bei einer Rotation um die Achse Δz eines Paraboloids. Damit können die verschiedenen Deformationen einer Membran mit der Parabel (welche die maximale Konzentration liefert) verglichen und deren Konzentration qualitativ abgeschätzt werden.

[0047] Die Kurven 51, 52 und 53 zeigen den Verlauf einer Membran, die soweit druckbelastet ist, bis sich deren Zentrum am Ort des Scheitels der Parabel befindet, weshalb die Kurven 51 bis 53 bei der Koordinate 0/0 zusammenlaufen. Dabei ist die Membran der Kurve 51 vorher nicht, d.h. weniger als, die Membran der Kurve 52 vorher zu viel, also mehr als, und die Membran der Kurve 53 vorher mit der Druckbelastung pBfür die zweite Deformation verformt worden.

[0048] Die Kurve 54 zeigt im Vergleich eine 0,2 mm dicke Membran aus Mylar, die für die allgemeine Randbedingung (Zentrum der Membran auf gleicher Höhe wie der Scheitelpunkt der Parabel) nur elastisch verformt ist.

[0049] Es lässt sich erkennen, dass die Abweichung gegenüber der Parabel (dem Idealfall) von beiden Kurven 51 und 52 gross ist gegenüber der Abweichung der Kurve 53 welche erfindungsgemäss nach der zweiten Deformation wieder entlastet worden ist, hier soweit, bis sich deren Zentrum auf der Höhe des Scheitelpunkts der Parabel befand. In der Tat ist die durch die Kurve 53 erzielte Verbesserung überraschend hoch, was sich an den nachstehenden, aus der Simulation erhaltenen Daten zeigt.

[0050] Die oben definierte Membran aus MIRO High Reflective 95 mit einem Radius von 0,25 m und einer Dicke von 0,2 mm erreicht bei laufend gesteigerter Druckbelastung ihren minimalen Brennbereich (maximale Konzentration) bei einer Druckbelastung von pA= 42 306 Pa, wobei die Konzentration 820 beträgt. Wird die Druckbelastung für die zweite Deformation auf pB= 44 400 Pa gesteigert und danach auf die Druckbelastung für die dritte Deformation pC= 30 448 Pa zurückgenommen, beträgt die Konzentration 3070 – ein im Stand der Technik bei weitem nicht erreichter Wert. Eine Versuchsanordnung hat diese Werte mit grosser Annäherung bestätigt, allerdings mit etwas geringerer Druckbelastung pC.

[0051] Fig. 5 zeigt ein Diagramm 60, auf dessen horizontaler Achse wiederum der Radius der Membran und auf dessen vertikaler Achse die Dehnung s der Membran aufgetragen ist. Die Kurve 61 zeigt die totale Dehnung in der Membran über den Radius r, die Kurve 62 den Anteil der plastischen Dehnung und die Kurve 63 den Anteil der elastischen Dehnung. Ersichtlich ist, dass auf Grund der vorangegangenen Druckbelastung für die zweite Deformation die elastische, irreversible Deformation so weit fortgeschritten ist, dass sie den Rand der Membran erreicht hat, wobei aber dort der Anteil an der plastischen Deformation kleiner ist als der Anteil der elastischen Deformation.

[0052] Erfindungsgemäss ergibt sich aus simulierten Versuchen, dass in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ein für die zweite Deformation gut angenäherter Wert dadurch bestimmt werden kann, dass die zweite Deformation dann erreicht ist, wenn der Randbereich der Membran durch plastische Deformation gedehnt ist, wobei bevorzugt der Anteil der Dehnung auf Grund der plastischen Deformation kleiner ist als derjenige auf Grund der elastischen Deformation.

[0053] Wiederum ist ein Vergleich mit einer Kunststofffolie im Diagramm 60 durch die Kurve 64 ersichtlich, welche die (elastische) Dehnung einer Mylarmembran bei der Druckbelastung pAzeigt.

[0054] Wie oben erwähnt, kann das erfindungsgemässe Verfahren auch auf elliptische Membrane angewendet werden und ist somit für einen Kollektor gemäss Fig. 1a verwendbar.

[0055] Oft ist es so, dass der Fachmann im konkreten Fall für einen Konzentrator einen rim angle ϕ festlegt, da dieser beim festlegen des Konzepts des Sonnenkollektors eine wichtige Rolle spielen kann. Dann kann das erfindungsgemässe Verfahren durch eine weitere Ausführungsform verbessert werden, indem das Material, aus welchem die Membrane besteht, im Hinblick auf einen vorbestimmten rim angle ϕ optimiert wird.

[0056] Fig. 6a zeigt ein Diagramm 70 mit drei schematisch dargestellten Kennlinien 71, 72 und 73 von Aluminium, das durch verschiedene Legierungsbestandteile drei verschiedene Elastizitätsgrenzen gemäss den beispielhaften Kennlinien 71 bis 73 aufweist. Auf der horizontalen Achse ist die Dehnung ε aufgetragen, auf der vertikalen Achse die für die Dehnung aufzubringende Spannung σ. Die Streckgrenze liegt entsprechend für die Legierung gemäss der Kennlinie 71 bei 20 MPa, für die Legierung gemäss der Kennlinie 72 bei 100 MPa und für die Legierung gemäss der Kennlinie 73 bei 180 MPa. Zum Vergleich ist wiederum die Kennlinie 74 von Mylar eingetragen.

[0057] Fig. 6b zeigt ein Diagramm 80 mit dem rim angle ϕ auf der horizontalen Achse und der geometrischen Konzentration cgauf der vertikalen Achse. Die Kurve 81 zeigt, welche geometrische Konzentration bei einer parabolisch gekrümmten Membran in Abhängigkeit vom rim angle ϕ erreichbar ist.

[0058] Gemäss Fig. 2 gibt es eine Druckbelastung pAfür eine erste Deformation einer Konzentratormembran, bei welcher diese (ohne die erfindungsgemässe Überformung zu einer zweiten Deformation) ein Minimum des Brennbereichs bzw. ein Maximum der Konzentration aufweist. Dieses Minimum bzw. Maximum der Konzentration ist allerdings materialabhängig, d.h. die Druckbelastung pAist materialspezifisch, so dass bei einer Membran mit gleichen Abmessungen je nach Material der Betrag der maximalen Konzentration und die dazu notwendige Druckbelastung pAverschieden sind.

[0059] Erhöhte Druckbelastung führt wegen der damit verbundenen Dehnung der Membran zu einem höheren rim angle ϕ, wobei zugleich die Konzentration am Ort der Druckbelastung pAein Maximum hat. Die Kurven 82 bis 85 zeigen die Verhältnisse für die Legierungen gemäss den Kennlinien 71 bis 73 von Fig. 6a , ebenfalls für Mylar (Kurve 84). Es ergibt sich, dass jede Legierung ein Maximum bei einem anderen rim angle ϕ, d.h. bei einer eigenen Druckbelastung pAbesitzt. Umgekehrt kann nun erfindungsgemäss für einen vorbestimmten rim angle ϕ ein Material gesucht werden, welches bei diesem das Betragsmässig höchste Maximum an Konzentration erreicht. Beispielsweise würde für einen vorbestimmten rim angle von 25° die Aluminiumlegierung mit einer Streckgrenze von 180 MPa gewählt, deren Konzentration um etwa einen Faktor 10 höher ist als es bei der Aluminiumlegierung mit der Streckgrenze 20 MPa der Fall wäre. Allerdings sei angemerkt, dass auch hier zu berücksichtigen ist, wie weit das konkrete Material vor seiner Zerstörung dehnbar ist – auf jeden Fall aber kann wie gezeigt das Material optimiert werden.

[0060] Die Fig. 7a und 7b zeigen analog zu den Fig. 6a und 6b die Diagramme 90 und 100, wobei die Kennlinien 91 bis 94 Materialien repräsentieren, die einen verschiedenen E-Modul aufweisen. Auch hier zeigt die Kennlinie 94 das Verhalten von Mylar. Aus Fig. 7b ist ersichtlich, dass für einen vorbestimmten rim angle ϕ von beispielsweise 20° ein Material mit einem E-Modul von 70 GPa wesentlich bessere Konzentration erlaubt, als es bei einem Material mit einem E-Modul von 40 GPa der Fall ist.

[0061] Zusammenfassend ist es erfindungsgemäss so, dass die Konzentration einer druckbelasteten Membran bei der ersten Deformation durch die Wahl des Materials der Membran verbessert wird, indem die Materialzusammensetzung im Hinblick auf die Streckgrenze und/oder den E-Modul bestimmt wird. Daraus ergibt sich ein Verfahren, wonach bei dem ausgewählten Material die bei der ersten Deformation vorliegende Konzentration verbessert wird, indem die Materialzusammensetzung im Hinblick auf eine geänderte Streckgrenze des Materials optimiert wird, bevorzugt indem eine Materialzusammensetzung mit einer Streckgrenze gewählt wird, bei welcher die Membran für einen der ersten Deformation entsprechenden rim angle ϕ eine maximale Konzentration erzeugt.

[0062] Bei einer weiteren Ausführungsform ergibt sich ein Verfahren, wonach ein Material im Hinblick auf einen vorbestimmten rim angle ϕ anhand seines E-Moduls derart gewählt wird, dass die Konzentration der Membran bei diesem rim angle ϕ gegenüber Materialien mit einem anderem E-Modul verbessert, bevorzugt maximiert ist.

[0063] Die Verbesserung der Konzentration bei der ersten Deformation durch die Wahl eines Materials mit einer optimalen Streckgrenze bzw. mit einem optimalen E-Modul kann unabhängig von der erfindungsgemässen Überformung der Membran durch die zweite Deformation Anwendung finden, ist also nicht an diese gekoppelt. Jedoch führt die Verbesserung der Konzentration schon bei der ersten Deformation durch die Materialwahl zu noch besseren Ergebnissen, d.h. betragsmässig noch höherer Konzentration bei der dritten Deformation, als es ohne die beschriebene Materialwahl (Streckgrenze, E-Modul) der Fall ist.

Claims (20)

1. Verfahren zum Herstellen eines in zwei Dimensionen gekrümmten Konzentrators, dadurch gekennzeichnet, dass eine entlang ihrem Umfang gestützte Membran durch Druckbelastung p deformiert wird, derart, dass sich ein Brennbereich ausbildet, der sich bei steigender Druckbelastung p laufend verkleinert, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbelastung p über eine erste Deformation hinaus, bei welcher der Brennbereich ein erstes Minimum erreicht hat, weiter erhöht wird, bis zu einer zweiten Deformation, und danach wieder zurückgenommen wird, bis eine dritte Deformation erreicht ist, wobei die zweite Deformation derart gewählt wird, dass der Brennbereich der dritten Deformation kleiner ist als derjenige der ersten Deformation und wobei ein Material für die Membran verwendet wird, welches wenigstens zwischen der zweiten und der dritten Deformation plastisch deformiert.

2. Verfahren zur Herstellung des Konzentrators nach Anspruch 1, wobei die zweite Deformation erreicht ist, wenn der Randbereich der Membran durch plastische Deformation gedehnt ist, wobei bevorzugt der Anteil der Dehnung auf Grund der plastischen Deformation kleiner ist als derjenige auf Grund der elastischen Deformation.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckbelastung für die zweite Deformation ausgehend von der ersten Deformation schrittweise gesteigert wird, und nach jedem Schritt wieder zurückgenommen wird, um die Existenz einer dritten Deformation zu überprüfen, und die schrittweise Steigerung so lange erfolgt, bis eine dritte Deformation vorliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei nach dem Vorliegen einer dritten Deformation die Druckbelastung für die zweite Deformation, welche die Existenz einer dritten Deformation zur Folge hat, weiter in kleineren Schritten schrittweise gesteigert wird, solange, bis der Brennbereich der aktuellen dritten Deformation minimal ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Vergleich je nicht deformierte, gleiche Membrane mit verschiedenen zweiten Deformationen deformiert, deren jeweilige Konzentration bei dem Vorliegen einer dritten Deformation bestimmt und diejenige zweite Deformation ausgewählt wird, bei welcher die höchste Konzentration erreicht wird, und wobei bevorzugt die Druckwerte für die zweite Deformation zwischen einem tiefen und einem hohen Ausgangswert eingegabelt werden, um eine dritte Deformation, bevorzugt mit der optimalen Konzentration, zu finden.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, wobei die schrittweise Änderung der Druckbelastung in Schritten zwischen 2% bis 5% der Druckbelastung für die erste Deformation erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Konzentrator einen elliptischen Umriss hat.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Deformationen des Konzentrators durch ein dessen ganze konzentrierende Fläche beschlagendes Fluid erzeugt werden, und wobei das Fluid bevorzugt ein Gas ist, besonders bevorzugt Luft, dessen Druck unter dem Umgebungsdruck liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens die dritte Deformation, bevorzugt alle Deformationen der Membran, durch eine Simulation bestimmt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei für die Simulation ein Radius R des Konzentrators und ein Ort seines Brennbereichs, bevorzugt durch seinen rim angle ϕ, angenommen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, wobei bei dem ausgewählten Material die bei der ersten Deformation vorliegende Konzentration verbessert wird, indem die Materialzusammensetzung im Hinblick auf eine geänderte Streckgrenze des Materials optimiert wird, bevorzugt indem eine Materialzusammensetzung mit einer Streckgrenze gewählt wird, bei welcher die Membran für einen der ersten Deformation entsprechenden rim angle ϕ eine maximale Konzentration erzeugt.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, wobei ein Material im Hinblick auf einen vorbestimmten rim angle ϕ anhand seines E-Moduls derart gewählt wird, dass die Konzentration der Membran bei diesem rim angle ϕ gegenüber Materialien mit einem anderem E-Modul verbessert, bevorzugt maximiert ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Konzentrator aus einem metallischen Material, vorzugsweise Aluminium besteht.

14. Kollektor für die Konzentration von Sonnenstrahlung, mit einem zweidimensional gekrümmten, einen vorbestimmten Durchmesser aufweisenden plastisch deformierten Konzentrator, der im Betrieb durch eine durch Fluiddruck verursachte Druckbelastung betriebsfähig gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die Druckbelastung kleiner ist als notwendig, um dessen plastische Deformation zu erzeugen, wobei dessen geometrische Konzentration grösser ist als diejenige des gleichen, ohne Überformung zu einer maximalen geometrischen Konzentration tiefgezogenen Konzentrators.

15. Kollektor nach Anspruch 13, wobei die geometrische Konzentration grösser ist als diejenige des Konzentrators ohne Überformung zu einem gleichen rim angle ϕ tiefgezogenen Konzentrator.

16. Kollektor nach Anspruch 13, wobei der Randbereich des Konzentrators plastisch deformiert ist.

17. Konzentrator nach Anspruch 13, wobei im Betrieb im Randbereich des Konzentrators dessen Dehnung auf Grund der plastischen Deformation kleiner ist als dessen Dehnung aufgrund der elastischen Deformation.

18. Konzentrator nach Anspruch 13, wobei dieser metallisch ist.

19. Kollektor nach Anspruch 12, wobei dieser aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium besteht, und dessen geometrische Konzentration des Konzentrators im Betrieb 1000 Sonnen, bevorzugt 1500 Sonnen, besonders bevorzugt 2000 Sonnen und ganz bevorzugt 2500 Sonnen übersteigt.

20. Verfahren zum Herstellen eines in zwei Dimensionen gekrümmten Konzentrators, wobei bei die Deformation dessen konzentrierender, im Betrieb druckbelasteter Membran verbessert wird, indem die Materialzusammensetzung der Membran im Hinblick auf eine optimierte Streckgrenze oder die Materialwahl im Hinblick auf einen optimierten E-Modul geändert wird, bevorzugt, indem die Streckgrenze oder der E-Modul des Materials so gewählt werden, dass der Konzentrator für einen der ersten Deformation entsprechenden rim angle ϕ eine gegenüber einem Material mit einer anderen Streckgrenze oder einem anderen E-Modul verbesserte, bevorzugt maximale Konzentration erzeugt.