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Im
Gegensatz zu reflektierenden Optiken (konzentrierende Spiegel) bieten
refraktive Optiken (Linsen) einige interessante Vorteile bei der
Konzentration von Sonnenlicht.
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In
Sonnenenergienutzungsanlagen wird vorteilhaft auf konzentrierende
Optiken zurückgegriffen, wenn
entweder hohe Temperaturen zum Betrieb thermodynamischer Maschinen
oder Prozesse benötigt
werden, oder aber grosse Photonendichten für photochemische Reaktionen – so wie
zur effektiven Nutzung von lichtinduzierten Prozessen, wie typischerweise
der photovoltaischen Stromerzeugung, vorteilhaft sind.
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Während die
in den Brennebenen der Optiken positionierten Strahlungswandler
(Receiver) mit teilweise recht großen Abmessungen, im Falle der Spiegelkonzentratoren
zur Abschattung eines Teiles der primär einfallenden Sonnenstrahlung
führen,
da deren Brennebenen in Richtung Sonne vor den Spiegeln liegen,
tritt dieser negative Effekt bei Linsensystemen, deren Brennebenen
hinter den Spiegeln liegen, prinzipiell nicht auf.
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Ein
weiterer Vorteil der Linsensysteme hängt mit der zusätzlichen
Nutzungsmöglichkeit
des diffusen (hemisphärischen)
Anteiles der Sonnenstrahlung zusammen. Zwar können grundsätzlich konzentrierende Spiegel
oder Linsen nur den direkten (parallelen) Anteil der Solarstrahlung
in Brennpunkten oder Brennlinien vereinigen, jedoch weist die Nutzbarkeit des
diffusen Lichtes, nach der Reflektion am Spiegel oder der Brechung
im Linsensystem, einen wichtigen Unterschied auf.
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Während das
diffuse Licht vom Spiegel diffus in den Himmelshalbraum ungenutzt
zurückgestrahlt wird,
kann das unterhalb der Linse, zum Erdhalbraum hin diffus austretende
Licht zu Beleuchtungszwecken gut genutzt werden. Es ist daher verständlich,
dass Linsensysteme zur Konzentration des Sonnenlichtes bevorzugt
als Hüllen
oder Teilhüllen
(Envelopen) von Lebensräumen
ausgeführt
werden. Diese selektive Trennung von Direkt- und Diffusstrahlung durch Linsensysteme
führt dann
automatisch, neben der Produktion von Prozesswärme, Kraft oder Strom und angenehmer,
blendfreier Diffusbeleuchtung zu einer Klimatisierung der darunter
liegenden Räume
(durch den geringeren Energieeintrag).
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Die
genannten Vorteile werden typisch in der tschechischen P.A. SG-1
No. 284185 („Envi") und in einer Variante
in der
EP 99955833.1 dargestellt
(Erfinder: Verfasser dieser Anmeldung et. al). Während in der Envi Anmeldung
besonders preisgünstig
herstellbare Fresnellinsen (ein weiterer Vorteil der Linsentechnik)
direkt eine fest nach Süden
hin ausgerichtete Dach- oder – Fassadenfläche bilden,
sind in der
EP 99955833.1 ,
Linsensysteme geschildert, die sich unterhalb einer transparenten
Schutzhülle
ein – oder
zweiachsig nachgeführt
mit dem Sonnenstand bewegen.
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In
der P.A. „Envi" kommen einachsig
konzentrierende, brennlinienerzeugende Linsen zum Einsatz. Da die
Längsachsen
dieser Linsen von Ost nach West orientiert sind, fällt die
Sonne im Verlauf des Tages unter verschiedenen Winkeln auf die Linsenebenen
auf (+/–90° Azimut).
Auch die saisonalen Elevationsunterschiede der Sonne führen zu
einer Winkelvariation während
des Jahres von +/–23,5°. Nur diese
wird beim Envi-System korrigiert, in dem der linienförmige Receiver
an Funktion des Elevationswinkels äquidistant zur Eintrittslinse
nach oben oder unten verschoben wird. Die je nach Azimutwinkel auftretende
Verschiebung der Brennlinie in Bezug zur Linse bleibt unkorrigiert.
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In
der
EP 99955533.1 liegen
die Verhältnisse anders.
Wird, wie es einer beschriebenen Ausführungsform entspricht, die
Linse zweiachsig der Sonne nachgeführt, liegt der Receiver immer
präzise
im Brennpunkt oder der Brennlinie. Wird jedoch – wie es insbesonders für Gebäude sinnvoll
ist – die
linienförmig
abbildende Linse nach Süden
hin orientiert und nur über
ihre Ost-West Achse winkelkompensiert, so treten auch hier während des
Tages hohe Winkelvariationen wegen der Azimutbewegung der Sonne
auf, und die Brennlinie verschiebt sich zusätzlich in Längsrichtung in Funktion des
Azimutwinkels.
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Neben
den eingangs genannten Vorteilen von Linsenkonzentratoren gegenüber Spiegelkonzentratoren
weisen die Linsen im Vergleich zu Sammelspiegeln jedoch auch eine
entscheidende Schwäche
auf. Während
nämlich
bei Sammelspiegeln nicht senkrecht auf die Spiegeleintrittsapertur
fallende Strahlung zwar zu einer räumlichen Versetzung aber nicht
zu einer Brennweitenänderung
führt,
treten bei Linsensystemen beide Effekte auf. Die Brennweitenänderungen
resultieren hierbei aus der Tatsache, dass die Strahlen beim Austritt
aus dem dichteren optischen Medium (Linse) in das dünnere optische
Medium (Luft) gemäß der Funktion
vom Lot weg gebrochen werden.
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Linsensysteme
wie die zwei beschrieberen können
nicht mit vollem Wirkungsgrad das Potenzial dieser Optiken nutzen,
da ihre Strahlungsreceiver auf eine feste Brennweite eingestellt
sind und somit an Funktion der Schrägeinstrahlung der Sonne mit
variablen Bestrahlungsstärken
beschienen werden, bzw. mehr oder weniger grosse Strahlungsanteile
diese Receiver gar nicht mehr erreichen. Zusätzlich geht Energie durch den
Versatz der Brennlinien längs
der Receiverachsen verloren.
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Der
vorliegenden Erfindung eines brennlinienkorrigierten Linsensystems
liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aufgeführten, gravierenden Mängel zu beseitigen.
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In 1 ist
in einem x, y z Koordinatensystem eine nach Süden (X-Achse) hin orientierte (Fresnel)
Linse (1) dargestellt, die um die Ost-West Achse (y-Achse)
gemäss
der Elevation der Sonne nachgeführt
wird. Die Brennweite dieser Linse variiert in Funktion des Winkels α der durch
den täglichen
Sonnenstand vorgegeben ist. Für α = 0 weist
die Brennlinie bezüglich
der Linse in Y-Richtung keinen Versatz S auf während dieser z.B. bei α = 70° S vorhanden ist.
Für α = 0 hat
die Linse die größte Brennweite
fx0, während
diese z.B. bei α =
70° wesentlich
kürzer
ist.
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Eine
Simulation der Strahlengänge
auf lineare Linsen unter Variation des Winkels α führt zu folgenden funktionalen
Zusammenhängen: f = f·α0·cos2α S
= f·α0·cosα·sinα
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In 2 sind
die Zusammenhänge
für eine Linse
mit der Brennweite fα =
100 dargestellt. (100 = dimensionslose Länge)
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In 3 werden
die geometrischen Verhältnisse
in einem Z-Y Koordinatensystem verdeutlicht. Parallel zur Z-Achse
die das Mass der Brennweitenvariation ist, ist der Winkel α von 0°–90° aufgezeichnet
(zur Definition von α siehe 1).
Jedem Winkelwert von α (z)
ist ein y-Wert zugeordnet. Dieser y-Wert ist der Verschiebung der
Brennlinie in +/–Richtung
bezüglich
der Linse (1, 1) äquivalent.
Variiert man den Azimutwinkel α von
+90° bis – 90°, was der
Sonnenbahn bei Tag-Nacht Gleiche entspricht, so variieren die Brennweite
f und die Verschiebung in y-Richtung gemäß der Tabelle 3a.
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Die
Bahnkurve die ein Punkt auf dem Strahlungsreceiver im z-y Koordinatensystem
durchfahren muss um ständig
exakt bezüglich
sowohl der z als auch der y-Ebene in der Brennlinie zu liegen bewegt sich
also auf dem Umfang eines Kreises dessen Durchmesser D der maximalen
Brennweite der Optik beim Winkel α =
0 entspricht. Für
die Abbildungen wurde die dimensionslose Länge D = 100 gewählt.
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In 4 wird dargestellt, wie die beschriebenen
geometrischen Zusammenhänge
zu einem erfindungsgemässen
Nachführsystem
zur Korrektur der Brennweite und des seitlichen Versatzes der Brennlinie
bei nichtnormaler Einstrahlung der Sonne in der Azimutebene für Ost-West
orientierte Linsen führt. Dabei
ist (1) die nach Süden
orientierte Linse, die um die y-Achse (3) (Ost-West) die
nötigen
Korrekturen in Bezug zur Elevation der Sonne vornimmt. In den 4a bis 4c wird
eine Version der Erfindung dargestellt, bei der die lineare (Fresnel)
Linse (1) auf die entsprechende Weise Brennweiten- (Z-Achse) wie
auch Versatz (Y-Achse) korrigiert wird, während das in der Brennlinie
befindliche Absorberrohr (3) ortsfest ist. Diese Ausgestaltung
der Erfindung ist besonders sinnvoll, wenn im Absorberrohr Fluide
mit hohen Temperaturen und Drücken
erzeugt werden. Damit das sich mittig unterhalb der Linse befindliche Absorberrohr
auch bei wechselnder Sonnenhöhe stets
mit der maximalen Strahlungskonzentration beschienen wird, wird
die Linse (1) durch Drehung um das Absorberrohr (3)
automatisch Elevationskorrigiert.
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In 4a ist
die Mittagsposition dargestellt, bei der die Sonnenstrahlen senkrecht
auf die Linsenebene auftreffen. Mit (2) sind zwei Kreisscheiben bezeichnet,
die um ihren Mittelpunkt drehbar gelagert sind und deren Durchnmesser
D der Brennweite fα° gemäß 1; 3 und
Tabelle 3a entspricht. Die Linse ist in den Punkten 2a über eine
Drehöse
mit dem Umfang der Kreisscheiben verbunden.
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Eine
der beiden Scheiben (im Beispiel willkürlich die Linke) ist über eine
zweite Drehöse
(4a), die ebenfalls drehbar um 2a gelagert ist,
mit einem Sonnenrichtungszeiger (4), der längenvariabel
durch die Drehöse
(4a) schieben kann, verbunden. Der Sonnenrichtungszeiger
(4) ist auf der (4a) gegenüberliegendem Seite mit einer
zweiten Drehöse
(4b) fest verbunden. Diese Öse ist an einen starren Rahmen
befestigt, der nicht mit den Kreisscheiben (2) verbunden
ist, sich jedoch mit der Linse (1) durch Drehung um das
Absorberrohr (3) kontinuierlich gemäß der Elevation verstellt.
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Auf
der Spitze des Sonnenrichtungszeigers (4) ist eine Sonnenrichtungssensor
(5) angebracht. Dieser typisch als „Schattenschwert" mit zwei Photodioden
ausgerüstete
Sensor erteilt dem in der Drehachse von 2 befindlichen Motor Regelbefehle
sich solange zu drehen, bis beide Photodioden dasselbe Lichtsignal
erhalten. In der in 4a dargestellten Sonnenmittagsposition
steht dann der Sonnenrichtungszeiger (4) senkrecht zur
Linsenebene (1). Die Brennweite der Linse entspricht wie
in 3 und Tabelle 3a gefordert der maximalen Brennweite
fα°. Die Verschiebung
(5) entspricht ebenfalls der Forderung und ist in diesem
Falle 0, d.h. die Brennlinie liegt in Orthogonalprojektion der Sonnenstrahlen
unterhalb der Linse und das Receiverrohr wird vollständig beschienen.
Dies setzt allerdings voraus, dass auch die Elevation der Linse
dem geografischen Breitengrad und dem exakten Datum/Uhrzeit angepasst
ist. Erfindungsgemäss
kann dies besonders einfach gelöst werden,
wenn dem Azimutsensor (5) ein gleichartiger, aber um 90° verdrehter
Schattensensor (5a) zugerechnet ist, der die Elevation
mittels des Motors (6a) regelt.
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In 4b wird
der Fall der Sonneneinstrahlung unter dem Azimutwinkel 45° (Morgenstellung), dargestellt.
Dazu haben sich die Kreisscheiben um 90° gegenüber dem Uhrzeigersinn gedreht.
Die sich einstellende neue Brennweite fα45° ist in Übereinstimmung mit 3 und
Tabelle 3a, D/2. Ebenfalls die Verschiebung Sα45°, die bei dieser Stellung ihr Maximum
mit ebenfalls D/2 erreicht hat. Das ortfeste Absorberrohr wird wiederum
voll beschienen.
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In 4c ist
die morgendliche Grenzstellung beim Azimutwinkel α = 90° gezeigt.
Die Kreisscheiben haben sich nun um 180° gedreht. Wie gefordert wird
hier die Brennweite Null, d.h. die Linse (1) liegt auf
dem Absorberrohr (3) auf, und die Verschiebung (S) wird
ebenfalls 0.
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Allerdings
handelt es sich bei dieser Stellung um einen nicht praktikablen
Grenzwert, da bei horizontal auf die Linsenebene fallenden Sonnenstrahlen keine
Durchleitung des Lichtes durch die Linsenstruktur hindurch erfolgt
(Totalreflektion an der Oberfläche).
In der Praxis kann daher nur dann Energie ins Absorberrohr eingekoppelt
werden, wenn der Azimutwinkel α kleiner
als 90° ist.
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Die
in den 4a–4c dargestellten
Zusammenhänge
von Sonnenaufgang bis Mittag werden spiegelsymetrisch zur Mittagsnormalen
durch weitere 180° Drehung
der Scheiben im Uhrzeigersinn bis zum Sonnenuntergang fortgesetzt.
Nach Sonnenuntergang werden die Scheiben im Gegenuhrzeigersinn um
360° gedreht,
so dass sich die Gesamtanordnung am nächsten Morgen wieder in der
Startstellung befindet.
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Gegenüber dem
eingangs beschriebenen Stand der Technik hat das erfindungsgemässe System
den Vorteil eines erheblich verbesserten Wirkungsgrades. Die Korrektur
der Brennweite in Funktion der Azimutwinkels und die Korrektur des
seitlichen Brennlinienversatzes könnte klassisch durch den Einsatz
zweier unabhängiger
Verstellmotore in Z- und Y-Richtung, die ihre Steuersignale über Sensoren
oder ein digital gespeichertes Programm erhalten, bewerkstelligt
werden.
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Die
Neuheit der vorliegenden Erfindung liegt darin begründet, dass
beide Bewegungskorrektoren durch ein einfaches, auf Kreisfunktionen
basierendes mechanisches Koppelsystem simultan erzeugt werden. Insofern
stellt die Erfindung einen mechanischen Analogcomputer zur Lösung trigonometrischer Gleichungen
durch ineinandergeschachtelte Kreisbahnen dar.
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Die
beschriebene technische Ausführungsform
ist dabei nur prinzipieller Natur, unter Beibehaltung der wesentlichen
geometrischen Parameter (Durchmesser der Kreisscheibe = fα0; Kreisscheibe schliesst
an Linsenebene an; Sonnenvektorstab drehbar auf Umfang des Kreises
befestigt; zweiter Drehpunkt des Sonnenvektorstabes im Abstand des Kreisradiuses,
unabhängig
von der Kreisscheibe in der Linsenebene so ausgeführt, dass
der Sonnenvektorstab sich sowohl drehen als auch längs verschieben
kann), kann das Prinzip für
den technisch Kundigen auf verschiedenartige Weise gelöst werden.
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Beispielsweise
können
die Kreisscheiben durch um ihren Mittelpunkt gedrehte Drehbalken ersetzt
werden. Die Rotation um die Mittelpunkte der Kreisscheiben oder
Drehbalken kann durch lineare Zugkräfte, die typischerweise am
Sonnensensorstab (4) umgreifen, realisiert werden. Statt
das Absorberrohr (3) festzuhalten und die Linse (1)
der Z- und Y-Achse nach zu verschieben, kann auch umgekehrt verfahren
werden: Die Linse ist ortsfest, während das Absorberrohr die
korrespondierenden Bewegungen ausführt.
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Grundsätzlich kann
erfindungsgemäß auch unter
Beibehaltung der Kinematik des Sonnenvektorstabes nur dessen Z-Achseninformation
(Brennweitenanpassung) mechanisch auf ein Teleskoprohr oder eine äquivalente
längenvariable
Vorrichtung (z.B. Faltstab) übertragen
werden und auf die simultane Korrektur der Y-Achse (Brennlinienversatz)
verzichtet werden. Um auch in diesem Falle stets eine vollständige Ausleuchtung
des Absorberrohres zu gewährleisten,
stehen die Linsen rechts und links vom Absorberrohr um D/2 über.
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Die
Erfindungsgemässe
Nachführkinematik funktioniert
auch grundsätzlich
für nicht
exakt entlang der Ost-West Achse positionierter Linsen. In diesem Fall
muss lediglich der maximale Elevationswinkel in Funktion dieser
Abweichung vergrößert werden.
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Die
Konstruktion kann für
den mechanisch Kundigen unter Beibehaltung der dieser Erfindung zugrundeliegenden
geometrischen Rahmenbedingungen in vielfältiger Weise ausgestaltet werden.
