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Die Erfindung betrifft ein Solarflugzeug mit einem konzentrierenden Solargeneratorgemäß Anspruch 1.
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Unter dem Begriff Solarflugzeug werden im Folgenden alle Flugzeuge verstanden, die im Flug Energie teilweise oder vollständig durch Umwandlung von Sonnenenergie in beispielsweise thermische oder vorzugsweise elektrische Energie beziehen.
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Solarflugzeuge lassen sich beispielsweise als Drohnen für unterschiedliche Anwendungsszenarien wie Aufklärung, Überwachung, Kommunikation und wissenschaftliche Aufgabenstellungen einsetzen. Zielsetzung bei derartigen Flugzeugen ist es, eine Nutzlast möglichst auch im Winter in hohen Breiten betreiben zu können. Dabei sollte das Flugzeug in Höhen von insbesondere über 15 Kilometern und damit oberhalb des normalen Flugverkehrs ununterbrochen über Monate oder auch Jahre stationiert werden können. Aufgrund der geringen nutzbaren Sonnenenergie und des hohen Gewichts der für den Nachtbetrieb benötigten Energiespeicher sind allerdings verglichen mit herkömmlichen Drohnen mit konventionellem Antrieb nur geringe Nutzlastgewichte möglich, die bei einzelnen Anwendungsszenarien unterhalb von 10% des Flugzeug-Gesamtgewichts liegen können.
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Üblicherweise werden bei Solarflugzeugen photovoltaische Solarzellen (Solargeneratoren) zur Energiegewinnung eingesetzt und die von diesen Zellen erzeugte elektrische Energie in Akkumulatoren für den Nachtbetrieb gespeichert. Bei bisher realisierten Flugzeugen wurden die Solarzellen auf den Tragflächen angeordnet, wobei die Oberfläche überwiegend fast vollständig mit Solarzellen bedeckt worden ist. Mit dieser Anordnung lässt sich aber im Winter in hohen Breiten aufgrund des niedrigen Sonnenstandes nicht genügend Energie gewinnen und die Verwendbarkeit eines Solarflugzeuges wird daher deutlich eingeschränkt.
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Diese Nachteile lassen sich durch eine Ausrichtung eines Solargenerators zur Sonne umgehen. Größere Ablagen zwischen Sonnenrichtung und Flächennormale des Generators lassen sich prinzipiell nur durch eine Drehung des Solargenerators um eine Ache reduzieren, die näherungsweise parallel zur Flugzeuglängsachse angeordnet ist. Hier sind Lösungen vorgeschlagen worden, welche die V-Stellung der Tragflügel dem Sonnenstand anpassen können. Allerdings ist bei derartigen Lösungen nur etwa die Hälfte der Tragflügelfläche zur Sonnenenergiegewinnung nutzbar. Ein flexiblerer Ansatz ist in der
DE 197 16 650 A1 beschrieben, bei dem auf einer außerhalb der Tragflächen vorgesehenen Zusatzfläche separate photovoltaische Solargeneratoren angeordnet sind. Die Zusatzflächen können bezüglich der Sonneneinstrahlung ausgerichtet werden. Für den Nachtflugbetrieb können die Solargeneratoren zur Widerstandsverkleinerung zusammengefaltet werden. Weiterhin können diese Zusatzflächen so angeordnet sein, dass der Gesamt-Neutralpunkt der Flächen im Flugzeugschwerpunkt liegt. Nachteilig bei dieser Lösung ist das hohe zusätzliche Gewicht für die externen Solargeneratoren.
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Der in Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, den Flug eines Solarflugzeuges in möglichst großen Höhen bei niedrigen Sonnenständen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Solarflugzeug mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Grundlegendes Merkmal dieses Flugzeuges sind drehbare Solargeneratoren, die als konzentrierende Systeme ausgelegt sind. Die Solargeneratoren oder Kollektoren weisen einen Absorber zur Umwandlung der Sonnenenergie in eine vom Flugzeugantrieb verwendbare Energieform auf, mit mindestens einer Sonnenlicht empfindlichen Fläche, auf die Licht durch außerhalb der Flügelstruktur angeordnete optische Elemente gelenkt wird. Hierbei ist die Aperturfläche der optischen Elemente größer als die Sonnenlicht-empfindliche Fläche des Absorbers (Konzentrator-System). Die optischen Elemente und/oder weitere Komponenten des einzelnen Generators können der Sonne nachgeführt werden.
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Der Erfindung basiert auf den im Folgenden erläuterten Überlegungen. Die Auslegung eines Solar betriebenen Höhenflugzeuges wird durch die benötigte Propellerleistung bestimmt. Die erforderliche Leistung ist proportional zur dritten Potenz der Fluggeschwindigkeit und zu einer Potenz von 3/2 der Flächenbelastung. Die Fluggeschwindigkeit muss zunächst ausreichend zur Erzeugung des benötigten Auftriebs sein. Weiterhin sollte die erzielbare Mindestgeschwindigkeit so hoch sein, dass zur Positionshaltung Höhenwinde kompensiert werden können. Dieses wird aufgrund der teilweise hohen Geschwindigkeit von Jet-Streams allerdings in der Praxis nicht immer gewährleistet werden können.
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Entscheidend ist damit für die Auslegung eines Solarflugzeuges das Erzielen einer möglichst geringen Flächenbelastung bei einer sehr hohen aerodynamischen Güte des Flugzeuges. Die Flächenbelastung wird im Wesentlichen durch den Energiespeicher bestimmt. Lithium-Akkumulatoren erreichen derzeitig Energiedichten von ca. 250 Wh/kg, Labormuster über 350 Wh/kg. Der verglichen mit Lithium-Akkumulatoren deutliche niedrigere Wirkungsgrad von regenerativen Brennstoffzellen lässt sich nur durch eine Steigerung der Energiedichte gegenüber Akkumulatoren ausgleichen. Hohe Energiedichten lassen sich nur erreichen, wenn tragenden Strukturelemente wie Flügelholme etc. gleichzeitig als Drucktanks für die Brennstoffzellen verwendet werden können. Andere Antriebsformen, wie sie beispielsweise von Solarthermie-Kraftwerken her bekannt sind, sind prinzipiell ebenfalls einsetzbar, erscheinen aber derzeit aus Gewichtsgründen weniger geeignet zu sein.
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Nach dem derzeitigen Stand der Technik kann die Speichermasse je nach Einsatzbereich des Flugzeuges bis zu ca. 50% der Flugzeugmasse betragen. Um selbst leichte Nutzlasten transportieren zu können, ist daher für die Flugzeugstruktur ein Leichtbau erforderlich, der einen sicheren Betrieb des Flugzeuges bei Flächenbelastungen von bis zu unter 3 kg/m2 gewährleisten muss. Es sind daher unabhängig vom Stand der Akkumulatortechnologie wirkungsvolle Maßnahmen zur Gewichtsreduzierung des Flugzeuges zu suchen. Das Gewicht für die tragende Struktur lässt sich deutlich reduzieren, wenn alle Massen möglichst entsprechend der Auftriebsverteilung der Tragfläche oder Tragflächen verteilt werden. Dieses gilt insbesondere für den Energiespeicher, mit dem sich aufgrund seines hohen Gewichts auch die Schwerpunktlage des Gesamtsystems leicht anpassen lässt. Da das Einsparpotential hier durch den Stand der Technik begrenzt ist, weist nur noch der Solargenerator nennenswertes Optimierungspotential auf.
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Zur Gewichtseinsparung und damit zur Erhöhung der Nutzlastmasse wird daher erfindungsgemäß ein konzentrierender Solargenerator (oder Solarkollektor) eingesetzt. Der erfindungsgemäße vorgesehene konzentrierende Solargenerator ermöglicht einen möglichst hohen Energiegewinn bei gleichzeitig geringem aerodynamischem Widerstand. Im Vergleich zu der in
DE 197 16 650 A1 beschriebenen Anordnung kann mit der vorliegenden Erfindung zudem das Gewicht des außerhalb der Flügel angeordneten Generators deutlich verringert werden. Insbesondere ermöglicht der erfindungsgemäße konzentrierende Solargenerator Gewichte, die mit in den Tragflächen integrierten Solargeneratoren vergleichbar sind. Zur Minimierung des Flugzeug-Widerstandes im Nachtbetrieb können die Generatorflächen verkleinerbar sein.
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Ein geringes Gewicht des Generators bei gleichzeitig geringem aerodynamischem Widerstand kann beispielsweise durch Einsatz von leichten photovoltaischen Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden. Bei bekannten Technologien verhält sich der Zellenwirkungsgrad umgekehrt proportional zum Gewicht. So benötigen Dünnschichtzellen aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades eine deutlich größere Fläche als Silizium basierte Generatoren und erhöhen damit den Widerstand, während sich bei Gallium Arsenid Zellen das gegenüber Silizium-Zellen erhöhte Gewicht nicht durch den besseren Wirkungsgrad ausgleichen lässt. Mit neueren Entwicklungen, wie auf verhältnismäßig leichten Germanium Wafer aufbauenden Triple-Junction Zellen, lassen sich auf der Ende hohe Wirkungsgrade von ca. 34% bei Bestrahlung mit einer Sonne erzielen. Mit mittleren (10–100 Sonnen) bis hohen Konzentrationsfaktoren (> 100 Sonnen) lässt sich der Wirkungsgrad insbesondere von Multi-Junction Zellen deutlich erhöhen und sich somit die Kollektorfläche und damit das Gewicht verkleinern. Grenzen sind bei der Konzentration durch die thermische Belastung der Zellen gesetzt. Aufwendige Kühlmaßnahmen sollten dabei aus Gewichtsgründen vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird die Abhängigkeit des Solargenerator-Gewichtes von der Absorberfläche und zumindest bei Solarzellen auch vom Wirkungsgrad dadurch reduziert, dass das Sonnenlicht auf den Absorber beziehungsweise auf eine Sonnenlicht-empfindliche Fläche des Absorbers mittels der optischen Elemente eines Konzentrators gelenkt wird, deren Fläche deutlich kleiner als die Aperturfläche des Kollektors ist. Durch die Lichtkonzentration kann die Fläche der verhältnismäßig schweren Absorber, für die beispielsweise photovoltaische Zellen verwendet werden, deutlich reduziert werden. Die benötigte Aperturfläche wird dabei durch verglichen mit dem Absorber wesentlich leichter herstellbare Spiegelflächen erzeugt. Der Konzentrationsgrad kann so gewählt werden, dass bei maximaler Energieausbeute die Summe der Gewichte von Absorber, Spiegel und Mechanismen nach Möglichkeit nicht schwerer wird als ein im Flügel integrierter Silizium-basierter Solargenenerator abzüglich der ersatzweise erforderlichen Flügelschale.
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Für eine Konzentrator-Anordnung können prinzipiell alle aus der terrestrischen Photovoltaik oder Solarthermie bekannten Verfahren eingesetzt werden, die eine leichte und aerodynamisch günstige Ausgestaltung des Generators ermöglichen. Es sollten dem Stand der Technik entsprechend erfindungsgemäß vorzugsweise reflektierende Konzentratoren eingesetzt werden, da sie sich mit geringerem Gewicht und geringerem Volumen als refraktive Konzentratoren realisieren lassen.
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Bezüglich der Ausgestaltung von als Konzentratoren eingesetzten Spiegeln bieten sich mehrere im Folgenden beschriebene Möglichkeiten an, deren jeweilige Vor- und Nachteile im Rahmen einer Optimierung des Gesamtsystems zu bewerten sind. Insbesondere sind die Anordnungen auch auf große Toleranzen bezüglich der erforderlichen optischen Abbildungsqualität und hier auch der Nachführgenauigkeit hin zu optimieren. Hohe optische Abbildungsqualitäten insbesondere unter Einwirkung von Windkräften auf optische Flächen können mit bekannten Verfahren wie aktive Optiken erzielt werden. Diese sind allerdings technisch aufwendig und akzeptable Abbildungsqualitäten sollten zumindest für niedrige bis mittlere Konzentrationsfaktoren daher vorzugsweise durch nachfolgend beschriebene passive Ansätze erzielt werden. Die optische Qualität der beschriebenen Ausführungsformen lässt sich bei Bedarf durch aktive Maßnahmen weiter verbessern.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Parabolspiegel zur Lichtkonzentration eingesetzt. Dabei werden aus aerodynamischen und Gewichts-Gründen Spiegel mit einer relativ großer F-Zahl eingesetzt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 2 gegeben. Hierbei weist der Parabolspiegel eine lineare Anordnung (Parabolrinnenspiegel) auf, mit der das Sonnenlicht in einer Ebene gebündelt werden kann. Diese Anordnung ist auch vorteilhaft bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einsetzbar. Dadurch lassen sich großflächige Konzentratoren realisieren, deren Drehachse zur Minimierung des aerodynamischen Widerstandes in Flugzeuglängsrichtung ausgerichtet ist. Der Generator kann auch in mehrere einzeln drehbare Teilflächen aufgeteilt werden. Der Drehwinkel kann für Flüge in Polarregionen größer als 180° betragen.
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Beschränkt man die Konzentrationsgrade auf wenige Sonnen, lassen sich mit kompakten Zellen Mikro-Parabolrinnensysteme aufbauen, deren Bauhöhe bzw. Dicke beschränkt bleibt. Sie lassen sich damit noch wie die nachfolgend beschriebenen Trog-Konzentratoren in kompakte, zusammen faltbare Kästen integrieren. Aus aerodynamischen Gründen können die Kästen oben vorzugsweise durch eine gut Sonnenlicht durchlässige Folie abgedeckt werden.
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Um mittlere oder auch hohe Konzentrationsgrade zu erzielen, kann der Konzentrator als Off-Axis Spiegelsystem derart ausgebildet sein, dass die Anordnung von Absorber und seiner Tragstruktur einen möglichst großen Energiegewinn bei möglichst kleiner umspülter Fläche ermöglicht. Hierbei kann das Sonnenlicht direkt von einem einzigen Spiegel (Primärspiegel) auf die Zellen gelenkt werden oder es können noch weitere Spiegel (Sekundär-, Tertiärspiegel) zur Umlenkung oder weiteren Bündelung des Lichts vorhanden sein. Bei terristischen Systemen werden häufig sekundäre Optiken zur Homogenisierung des Lichts auf dem Aborber eingesetzt. Eine Homongenisierung wird sowohl bei refraktiver Bündelung beispielsweise durch Fresnel-Linsen als auch bei Off-Axis-Parabolspiegel-Anordnungen mit kleiner F-Zahl (Blendenzahl) benötigt. Da jede Lichtumlenkung mit Energieverlusten behaftet ist, sollten die Anzahl von optisch wirksamen Elementen allerdings klein gehalten werden.
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Eine weitere Ausführungsform ist mit trogähnlichen Solarkollektoren gegeben, bei denen zwischen Solarzellenstreifen verspiegelte Dreiecke angeordnet sind, die das Licht auf die Zellen reflektieren. Die Spiegelflächen der Dreiecke können dem Stand der Technik entsprechend auch gekrümmt sein. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich Konzentrationsgrade etwa von einem Faktor 2 erzielen (2 Sonnen). Vorteilhaft bei dieser von terrestrischen Solargeneratoren her bekannten Anordnung ist die einfache Bauweise.
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Verbesserungen des Wirkungsgrades auf über 35% können nach dem derzeitigen Stand der Technik nur mit Systemen mit mittleren bis hohen Konzentrationsfaktoren erzielt werden. Größere Konzentrationsfaktoren erfordern zur Vermeidung von Homogenisatoren eine größere F-Zahl. Diese Systeme lassen sich dann allerdings nicht mehr in aerodynamisch günstige Kästen integrieren. Es sind daher Maßnahmen zur Verbesserung der Aerodynamik des Generators vor allem für den Nachtflugbetrieb vorzusehen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht nach Anspruch 3 eine Verkleinerung der umspülten Fläche insbesondere für den Nachtflug. Hierzu kann der Konzentrator, insbesondere ein Parabolrinnenspiegel mit einer Spiegelfolie (verspiegelte Folie) realisiert werden, die aufrollbar ausgestaltet ist. Hier können alle geeigneten Folien-Materialien wie Metallfolien, Kunststofffolien etc. zum Einsatz kommen. Hoch reflektive Folien sind für terrestrische Solarkraftwerke entwickelt worden.
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Die möglichen Konzentrationsgrade und erzielbaren Energiegewinne hängen von der Formstabilität der Folien im Flügel-Nachlauf ab. Die Strömung im Nachlauf sollte daher möglichst wenig gestört sein. Die Anordnung von Propellern vor Folien-Kollektoren sollte vermieden werden. Bei nicht hinreichenden Material-Eigenschaften z. B. von dünnen leichten Kunststoff-Folien kann die Spiegelfolie entsprechend den auf sie wirkenden Lasten, die zu einem Flattem des Spiegels und damit zu Energieverlusten führen können, beispielsweise durch geeignete Fasern und/oder Latten und/oder auch laminierte Gewebe verstärkt werden. Ein Verkleinerung der Flächen durch Einrollen kann auch mit Laminaten gewährleistet werden.
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Die Spiegelfläche kann dadurch verkleinert werden, dass die Spiegelfolie um die Drehachse des Generators oder eine oder mehrere Achsen parallel zur Drehachse des Solargenerators, beispielsweise auf eine in oder parallel zur Flugzeug-Längsachse befindliche Trommel aufgewickelt werden kann.
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Eine weitere Verbesserung der aerodynamischen Güte des Flugzeuges im Nachtflugbetrieb ist in Anspruch 4 angegeben. Hierzu können die Spiegelflächen und weitere Strukturelemente des Kollektors nach Ausrichtung des Solargenerators relativ zu den Flugzeugachsen in den Flügel einziehbar sein und dort beispielsweise um eine parallel zur Flugzeug-Querachse befindliche Trommel aufgewickelt oder geeignet gefaltet werden. Für Raumfahrtanwendungen wie beispielsweise Solarsegel und große Antennen sind entfaltbare Trägerstrukturen entwickelt worden, die in ähnlicher Form auch eine Verkleinerung der Trägerstruktur für flexible Spiegelflächen ermöglichen können.
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Die Formstabilität von Folien basierten Spiegeln kann auch vorteilhaft nach den Merkmalen des Anspruches 5 verbessert werden. Die Spiegelform kann bei dieser Ausführungsform auch durch Spannen zweier Folien in einem Rahmen erzeugt werden. Insbesondere kann der Parabolrinnen-Kollektor aus zwei aufblasbaren und zwischen zwei Trägem aufgespannten Folien bestehen, und wobei durch Anpassung des Differenzdrucks zwischen Innen- und Außendruck der aufblasbaren Folien die erforderliche Form für einen konzentrierenden Spiegel approximiert werden kann. Die Folien können beispielsweise am Rand miteinander verklebt sein.
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Beispielsweise kann eine obere der beiden Folien lichtdurchlässig und die untere Folie innen verspiegelt sein und durch Erhöhung des Innendrucks zwischen den Folien eine konvexe Form des Parabolrinnen-Kollektors erzeugt werden. Hierbei wird die Lichtintensität bei der Durchdringung der oberen Folie leicht reduziert und das Licht leicht gebrochen.
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Diese Nachteile lassen sich mit einer konkaven Form umgehen, bei der eine obere der beiden Folien außen verspiegelt ist und durch Anpassung eines Unterdrucks zwischen beiden Folien eine konkave Form des Parabolrinnen-Kollektors erzeugt werden kann. Die Druckdifferenz zwischen dem durch die beiden Folien gebildeten Innenraum und dem Äußeren kann in beiden Ausgestaltungen gegebenenfalls höhenabhängig angepasst werden.
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Die erforderliche optische Form kann zusätzlich zu einer Druckänderung auch durch lokale Variation der Folien-Materialeigenschaften angenähert werden. Insbesondere kann die Steifigkeit einer Folie beispielsweise durch Fasern so angepasst werden, dass die entstehende Biegelinie der Folie eine vorgegebene Spiegelform approximiert. Schon mit geringen Druckdifferenzen lassen sich so verhältnismäßig hohe Formstabilitäten erzielen und die Neigung der Folien zum Flattern verringern.
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Die Folien können zur Verkleinerung der umspülten Fläche beispielsweise um die Träger herum aufwickelbar sein, die insbesondere in einer aerodynamisch günstig geformten Führungsschiene zusammenlaufen können.
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Das Spiegelsystem sollte optisch so ausgebildet werden, dass ein sich in der Nähe des Fokus befindlicher Absorber zur Erzielung einen möglichst hohen Wirkungsgrades gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Zur Vermeidung von Homogenisatoren ist gegebenenfalls eine größere F-Zahl des Kollektors erforderlich, was zu einer größerer Bauhöhe des Systems führt.
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Die Bauhöhe des Gesamtsystems lässt sich durch eine Anordnung nach Anspruch 6 mit einem Sekundär- beziehungsweise Umlenkspiegel verringern. Zur Vermeidung von Energieverlusten bei Flügen in nicht rechtem Winkel zur Sonnenrichtung kann der Solarzellenstreifen hierbei in Flugzeug-Längsachse verlängert werden. Hierbei kann auch der Sekundärspiegel aktiv gestaltet werden. Die Spiegelwinkel können dabei so geregelt werden, dass das gebündelte Licht in Richtung des Primärspiegels zurück reflektiert wird. Vorteilhaft bei dieser Lösung ist, dass bei einer Anordnung des Absorbers (Solarzellen) auf dem Trägerrohr des Spiegels die entstehende Wärme leichter ab zu führen ist und sich so bessere Wirkungsgrade erzielen lassen.
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Die Formstabilität der Spiegel lässt sich in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 verbessern. Zur Erzielung hoher Konzentrationsfaktoren kann anstelle der Verwendung eines einachsigen Parabolspiegels der Konzentrator auch als Fresnel-Spiegel, insbesondere als linearer Fresnel-Spiegel ausgebildet sein.
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Die Abmessungen und die Kippwinkel einzelner Spiegelsegmente der Fresnel-Anordnung können zur Vermeidung von Homogenisatoren so gestaltet sein, dass die Absorberfläche, d. h. ein Absorberstreifen (Solarzellenstreifen) von jedem einzelnen Segment vollständig ausgeleuchtet werden kann. Zur besseren Anpassung des Kollektors an die Geometrie und Eigenschaften des Absorbers können die Fresnel-Spiegelsegmente auch entsprechend den Vorgaben der optischen Optimierung gekrümmt sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Fresnel-Spiegelanordnung sind in Anspruch 8 angegeben. Zur Verringerung der Bauhöhe können die einzelnen Spiegelsegmente in mehrere Untersegmente mit etwa gleichem Neigungs- bzw. Kippwinkel unterteilt werden. Die Neigungswinkel und Abmessungen der Spiegelflächen können so angepasst werden, dass eventuell vorhandene Lücken zwischen einzelnen Absorbersegementen nicht bestrahlt werden.
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Insbesondere können die Abmessungen und die Kippwinkel so gewählt sein, dass mehrere Absorbersegmente bzw. Absorberstreifen von mehreren Spiegelelementen so ausgeleuchtet sind, dass jeweils ein Spiegelsegment einen Absorberstreifen ausleuchtet und alle Absorberelemente die gleiche Leistung liefem.
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Weiterhin kann der Winkel zwischen Absorber und optischer Achse so eingestellt sein, dass die Summe aller Winkel zwischen der Absorber-Normalen und einem einfallenden Lichtstrahl minimiert wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Fresnel-Spiegels kann der Winkel zwischen der Ebene eines aus mindestens zwei Spiegelelementen bestehenden Spiegels und optischer Achse auf einen Wert von kleiner als 90° so eingestellt sein, dass die Dicke des Spiegels minimiert wird. Der Winkel wird dabei so berechnet, dass sich insbesondere die Segmentwinkel im äußeren Randbereich des Spiegels und damit auch die Bauhöhe weiter reduzieren lassen.
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Im Gegensatz zur Folien basierten Spiegel lassen sich die Fresnel-Spiegel als leichte formstabile Platten ausbilden und somit höhere Konzentrationsfaktoren erzielen. Dieses macht den Einsatz von Triple-Junction Zellen attraktiv, da sich bei diesen Zellen der Wirkungsgrad bei mittleren bis hohen Konzentrationsgraden verbessert. Mit diesen Zellen lässt sich die benötigte Kollektorflächen gegenüber Silizium basierten Lösungen um ca. 50% reduzieren. Damit verkleinert sich auch der aerodynamische Widerstand des Generators erheblich.
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Eine weitere Ausgestaltung zur Verkleinerung der aerodynamischen Widerstände ist in Anspruch 9 angegeben. Dabei können die F-Zahl des Spiegels und damit der Abstand zwischen Spiegelsegmenten und Absorber so eingestellt sein, dass sich der Absorber mitsamt seiner Tragstruktur bzw. ein Umlenkspiegel platzsparend in die Ebene des Spiegels klappen lässt. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Absorber zur Minimierung seiner Bauhöhe im geklappten Zustand um seine Längsachse relativ zu seiner Tragstruktur gedreht werden kann. Damit lässt sich ein Gesamtsystem, das beispielsweise aus zwei spiegelsymmetrischen Off-Axis Solargeneratoren besteht, um die gemeinsame Längsachse zusammenfalten und gegebenenfalls anschließend auch komplett in den Flügel einziehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können zwei konzentrierende Solargeneratoren beispielsweise in einem Abstand, der mindestens ihrer Baulänge entspricht, im Flügel-Nachlauf so angeordnet sein, dass die zusammengefalteten Generatoren nach innen in den Flügel eingeklappt werden können und dass sie im Flügel übereinander angeordnet sind.
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Ein oder mehrere sich im Flügel-Nachlauf befindliche konzentrierende Solargeneratoren können auch in zwei getrennte Hälften zusammengefaltet werden, die zur Minimierung der umspülten Fläche einzeln in Richtung der beiden Flügelenden in den Flügel hinein gedreht werden können. Mit diesen Lösungen lässt sich auch eine für den Nachtflug optimale Nurflügel-Konfiguration realisieren.
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Wird die Solargeneratorfläche durch Aufwickeln oder Falten um die Flugzeuglängsachse verkleinert, verändert sich die Gesamtsystemschwerpunkt in Längsrichtung nicht. Es können aber durch die Flächenänderung Änderungen der aerodynamischen Momente auftreten. Bei einem Einzug der Flächen in den Flügel verändert sich auch die Schwerpunktlage. Da das Solargeneratorgewicht bei der erfindungsgemäßen weitgehend gewichtsneutralen Auslegung nur einen Anteil von ca. ¼ an der Gesamtmasse des Flugzeuges besitzt, sind die Schwerpunktänderungen begrenzt und sollten in vielen Fällen allein durch aerodynamische Maßnahmen abgefangen werden können. Hierzu können Leitwerke dienen, bei denen entsprechend dem Stand der Technik bei ausgefahrenem Generator auch hintere instabile Schwerpunktlagen zugelassen werden können. Allerdings ist bei einer instabilen Auslegung des Systems mit erhöhten Stellaktivitäten zu rechnen, deren Energiebedarf in einer Gesamtenergiebilanz des Flugzeuges zur berücksichtigen sind.
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Bei einer Flächenänderung auftretende Kräfte und Momente durch Verkippung des Kollektors um ein oder zwei Achsen parallel zur Flugzeug-Querachse bzw. Hochachse können passiv durch eine geeignete Kinematik oder aktiv durch einen Regelkreis angepasst werden. Die insbesondere bei einer Nurflügel-Konfiguration bei der Flächenverkleinerung auftretenden statischen Momentenänderungen können durch Klappen kompensiert werden.
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Mögliche vorteilhafte Weiterbildungen zur Stabilisierung sind in Anspruch 10 angegeben. Neben aerodynamischen Klappen beziehungsweise Leitwerken können auch Kräfte beziehungsweise Momente durch Verlagerung des Flugzeugschwerpunktes mittels Verschiebung von zur Energiespeicherung benötigten Bauteilen in Flugzeug-Längsrichtung erzeugt werden. Werden tragende Elemente der Flugzeugstruktur gleichzeitig als Drucktanks für zur Energiespeicherung verwendete Brennstoffzellen eingesetzt, können alternative Maßnahmen ergriffen werden. So kann beispielsweise der Pfeilwinkel des Flügels verändert werden. Dieses ist mit einfachen leichten Mechanismen möglich, da bei einer der Auftriebsverteilung entsprechenden Massenverteilung nur kleine Kräfte bzw. Drehlagermomente zur berücksichtigen sind.
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Bei einer weitgehend gleichmäßigen Verteilung der Batteriemassen im Flügel-Nasenbereich kann das Flatterverhalten des Flügels günstig gestalten werden. Kritischer als die Aeroelastik ist vor allem bei großen Solarflugzeugen mit Spannweiten, die über 100 m betragen können, die Flügeldurchbiegung zu bewerten. Starke Flügeldurchbiegungen können nicht nur das Einfahren der Solargeneratoren in den Flügel erschweren, sondern auch zu einer flugmechanischen Instabilität des Systems führen. Diese Durchbiegungen können beim Durchfliegen von Windfeldern mit größeren Gradienten in vertikaler als auch horizontaler Richtung auftreten. Geeignete Maßnahmen zur Kompensation von größeren Durchbiegungen sind daher gegebenenfalls vorzusehen. Hierzu können beispielsweise Flügelklappen entsprechend der örtlichen Auftriebsverteilung oder der Flügeldurchbiegung in Spannweitenrichtung unterschiedlich angesteuert werden. Grundlage für die Regelung der Klappen können direkte Messungen der Durchbiegung mittels optischer Sensoren oder indirekte Messungen über Dehnmessstreifen, Druckverteilung des Flügels etc. sein.
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Die Anstellwinkelschwingung ist bei einem Nurflügel naturgemäß nur schwach gedämpft. Bei einem einrollbaren Folienspiegel kann daher erfindungsgemäß die Tragstrukturen für den Spiegel bzw. Absorber so ausgebildet werden, dass insbesondere der hintere Teil der Struktur als Höhen- und Seitenleitwerk dienen kann. Da sich die Leitwerksflächen mit dem Generator drehen, sollte dieses in der Ansteuerung der Flächen berücksichtigt werden. Solange die Folienspiegel nicht optisch nachteilig deformiert werden, kann auch erfindungsgemäß nach Anspruch 10 zum Momentenausgleich die gesamte Struktur zusätzlich zur Rotation um die Längsachse um wenige Grad um die Hoch- bzw. Querachse gekippt werden. Die Einstellung aller Winkel kann über robuste und/oder adaptive Regelkreise erfolgen.
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Eine weitere Vorteilhafte Ausgestaltung des Solarflugzeuges ist in Anspruch 11 angegeben. Je nach Ausrichtung des Generators können durch die Anordnung der Absorber bzw. eines Umlenkspiegels auch Momente um die Hochachse und Querachse des Flugzeuges entstehen. Die Momente um die Hochachse können durch den Antrieb ausgeglichen werden, wenn mindestens zwei Propeller vorhanden sind. Da die elektrischen Antriebe verhältnismäßig leicht sind und sehr zuverlässig arbeiten, können sie erfindungsgemäß vorzugsweise an den Flügelenden angebracht werden. Dadurch lassen sich schon mit kleinen Drehzahldifferenzen ausreichende Momente um die Hochachse aufbringen. Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Propellerdrall verringert und die Flugleistungen verbessert werden können, wenn sich die Propeller erfindungsgemäß gegenläufig zum Randwirbel drehen.
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Bei allen photovoltaischen Systemen sind hohe Wirkungsgrade nur zu erzielen, wenn der Einfluss von Verschattungen auf den Generator minimiert wird. So besteht bei allen Flugzeugkonfigurationen mit in Längsrichtung angeordneten drehbaren Solargeneratorflächen je nach Flugrichtung die Möglichkeit, dass Teile der Spiegelflächen durch den Tragflügel abgeschattet werden. Hier sind aus der terrestrischen Photovoltaik elektronische Schaltungen bekannt, die den Einfluss von mit verringerter Intensität bestrahlten Zellen auf den Gesamtwirkungsgrad des Generators verkleinern.
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Zur Minimierung des Einflusses von Verschattungen weist nach der in Anspruch 12 angegeben Weiterbildung der Absorber eine größere Anzahl photovoltaischer Zellen auf, die in Flugzeug-Längsrichtung in mehrere elektrische getrennte Segmente unterteilt sind. Die einzelnen Segmente werden dann auch bei Verschattungen oder Teilverschattungen jeweils in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben.
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Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten gegebenen Liste verwendeten Begriffe mit den zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
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Die Zeichnungen zeigen in
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1 eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarflugzeuges mit einem als Konzentrator eingesetzten Parabolrinnenspiegel,
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2a die in 1 gezeigte Konfiguration in einer ersten Ausführungsform zur Flächenverkleinerung mit um den Generatorträger aufgewickelter Spiegelfolie und 2b eine zweite Ausführungsform, die eine Flächenverkleinerung durch Aufrollen in den Flügel ermöglicht,
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3 ein Ausführungsbeispiel einer trogförmige Konzentrator-Anordnung,
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4a, 4b und 4c verschiedene Ausgestaltungen von linearen Parabolspiegel-Anordnungen gemäß der Erfindung,
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5a und 5b erfindungsgemäße Anordnungen für Solarzellen bei Schrägeinstrahlung in der von der Längs- und Hochachse aufgespannten Schnittebene,
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6a und 6b Ausführungsformen von Fresnelspiegel-Konzentratoren gemäß der Erfindung,
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7a und 7b eine einklappbare Anordnung von mehreren Fresnel-Spiegeln gemäß der Erfindung, und
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8a, 8b und 8c eine verkleinerbare zentrale Anordnung von einem Fresnel-Konzentrator.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den anliegenden Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Die in 1 dargestellte perspektivische Ansicht der Flugzeug-Konfiguration stellt schematisch das Prinzip einer auf konzentrierenden Kollektoren beruhenden Energiegewinnung dar. Das hier schräg von vorne einfallende Licht 16 wird durch einen als Konzentrator vorgesehenen Spiegel 12 reflektiert, der hier als Parabolrinnenspiegel dargestellt ist. Das reflektierte Licht 17 wird auf eine Trägerstruktur 15 so gelenkt, dass sich dort befindliche, hier nicht dargestellte Absorber mit hohem Wirkungsgrad betreiben lassen. Als Absorber werden photovoltaische Systeme eingesetzt. Andere, z. B. auf thermischen Prinzipien beruhende Energiegewinnungsverfahren sind prinzipiell auch einsetzbar. Die Trägerstruktur ist mit einer weiteren Struktur 14, die auch Leitwerkfunktionen übernehmen kann, auf einem um eine Achse in Flugzeuglängsrichtung angeordneten drehbaren Solargeneratorträger 13 befestigt. Der Träger 13 ist durch einen sich im Flügel 10 befindlichen Antrieb um ca. 180° drehbar. Fernerhin kann der Träger 13 zur Widerstand-Minimierung gegebenenfalls auch noch um die anderen Achsen um wenige Grad justiert werden. Statt eines großen Generators können auch mehrere kleinere Generatoren in Spannweitenrichtung verteilt angeordnet werden.
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Wie in der 1 erkennbar ist, wird bei schräg von vorne einfallendem Sonnenlicht ein Teil des Spiegels durch die Tragfläche abgeschattet. Die damit verbundenen Nachteile bezüglich des Systemwirkungsgrades bei photovoltaischen Systemen können durch eine beispielsweise in Flugzeuglängsrichtung vorgenommene Segmentierung der Solarzellen mittels elektronischer Maßnahmen verringert werden, wie sie für terrestrische Solarmodule entwickelt worden sind.
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Der Vortrieb wird mit Propellerantrieben 11 erzeugt, von denen zwei insbesondere an den Flügelenden angeordnet sind und sich dort gegenläufig zu den Randwirbeln drehen. Zusätzliche über die Spannweite verteilte Antriebe können zur Auftriebserhöhung sinnvoll sein. Im Bereich des Solargenerators sollte die Strömung insbesondere bei Folien basierten Spiegeln allerdings weitgehend ungestört bleiben.
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In 2a und 2b sind weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Solarflugzeugs mit einem als Konzentrator dienenden aufrollbaren Spiegel gezeigt. In 2a ist ein z. B. als Foliensegel ausgebildeter Spiegel 12, der in 1 ausgerollt gezeigt ist, um den Träger 13 zur Widerstandsminimierung für den Nachtbetrieb aufgerollt. Das Bezugszeichen 19 stellt den aufgerollten Spiegel dar. Die Energieversorgung erfolgt beispielsweise mit Akkumulatoren 18, die so angeordnet werden, dass die Massenverteilung des Flugzeuges näherungsweise der Auftriebsverteilung entspricht. Insbesondere werden die Akkumulatoren aus aeroelastischen Gründen in der Flügelnase angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Energiespeicher zur statischen Momentenkompensation während des Fluges in Flugzeug-Längsrichtung verschiebbar sein.
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Der Licht sammelnde Spiegel 12 kann beispielsweise als Foliensegel mit Faser so verstärkt werden, wie es von Yacht-Segeln her bekannt ist. Die Folien werden vorzugsweise nur zwischen zwei entsprechend der Spiegelform gebogenen Trägerstrukturen 20 aufgespannt. Weitere Trägerstrukturen 20 können bei Bedarf vorgesehen werden. Die Strukturen selbst können ähnlich der beispielsweise von großen Raumfahrtstrukturen her bekannten Verfahren aus- und eingefahren werden. Die Strukturen 20 können auch wieder wie die Strukturen 14 Leitwerksfunktionen übernehmen. Die Ansteuerung der Leitwerkflächen erfolgt in Abhängigkeit von der Solargenerator-Ausrichtung relativ zu den Flugzeugachsen.
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In 2b ist der durch beispielsweise Fasern verstärkte Folienspiegel 12 zwischen zwei Trägerrohren 13 aufgespannt. Die Spiegelform kann beispielsweise durch elastische „Segellatten” oder flächig durch flexible Laminate hergestellt werden. Sobald die Spiegelebene in die Flügelebene gedreht ist, lässt sich die Folie durch geeignete Mechanismen vorzugsweise in den Flügel aufrollen. Bezugszeichen 19 stellt wieder den Spiegel in aufgerollter Form dar. Die elastischen Segellatten bzw. das Laminat werden dabei beispielsweise durch geeignete Führungen zur Verringerung des benötigten Stauvolumens gerade gebogen. Eine Führung der Segellatten ist auch mit nur einem Tragrohr 13 möglich. Der Vorteil dieser Variante ist dann zu sehen, dass der Spiegel zusätzlich mit Hilfe von quer zur Flugrichtung angeordneten Latten verstärkt werden kann.
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Der Konzentrationsgrad und damit auch das Gewicht des Systems hängen von der Formstabilität des Spiegels 12 im Flügel-Nachlauf ab. Als vorteilhaft bei einer Ausgestaltung des Spiegels mit Folien ist anzusehen, dass sich die umspülte Fläche mit Hilfe einfacher Mechanismen durch Aufwickeln verkleifern lässt.
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In 3 ist eine trogförmige Konzentrator-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei der das einfallende Licht 16 mittels dreieckförmiger Spiegel 22 umgelenkt wird. Die Spiegelflächen können auch gekrümmt sein. Das reflektierte Licht 17 gelangt dabei in relativ flachem Winkel auf die Solarzellen 21. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist die einfache Herstellung. Nachteilig ist der nur geringe erzielbare Konzentrationsfaktor von etwa zwei Sonnen. Für die Zwecke der Erfindung besitzen daher Parbolrinnenspiegel-ähnliche Systeme den Vorteil, dass sie deutlich größere Konzentrationsfaktoren und damit auch größere Gewichtserspamisse ermöglichen. Die gezeigte trogförmige Anordnung kann auch zusätzliches sekundäres Spiegelsystem in Verbindung mit primären Konzentratorspiegeln wie beispielsweise Parabolrinnenspiegeln eingesetzt werden.
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In 4a bis 4c sind nun verschiedene Ausgestaltungen von linearen Parabolspiegel-Anordnungen gemäß der Erfindung gezeigt.
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In 4a ist ein Schnitt in Flugzeugquerebene durch eine Ausführungsform eines Solargenerators für das in 1 gezeigte Solarflugzeug dargestellt. Der Parabolrinnenspiegel 12 des Generators ist dabei zur Vermeidung von Zentralabschattungen vorzugsweise in zwei Off-Axis Systeme aufgeteilt, nahe deren Fokus die Absorber bzw. Solarzellen 21 angebracht sind. Die optischen Parameter der an einem Träger 13 befestigten Spiegelhälften 12 und der Zellengeometrie bzw. Zellenanordnung werden dabei so bestimmt, dass die Absorber 21 möglichst effizient ausgeleuchtet werden. Bei Konzentrationsgraden von ca. 10 Sonnen lassen sich die Systeme bei Absorberbreiten von 10 mm noch als relativ kompakte Mikro-Parabolrinnensyteme ausbilden, die sich in größerer Anzahl in einem oben lichtdurchlässigen, aerodynamisch günstig gestaltbaren und zusammen faltbaren Kasten integrieren lassen.
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In 4b ist eine weitere Ausgestaltung eines Parabolrinnen-Primärspiegels gezeigt, der aus zwei aufblasbaren Folien 12 und 23 besteht. Die untere Folie 12 ist verspiegelt, die obere Folie 23 lichtdurchlässig. Der Innendruck stabilisiert den Spiegel. Die Steifigkeit der Folien wird beispielsweise durch Fasern so eingestellt, dass die entstehende Biegelinie die erforderliche Spiegelform gut durch eine Regelung des Differenzdrucks zwischen Innen- und Außenseite approximiert. Zur Flächenverkleinerung wird das System um die Träger 13 gegenläufig aufgewickelt. Dabei laufen die Träger 13 in einem geeigneten, hier nicht gezeigten Führungssystem zusammen. Die aufgewickelte Folie 19 vergrößert den Radius des Trägers 13 dabei nur unwesentlich. Nachteilig ist bei diesem konvexen Spiegel, dass das Licht durch die Folie 23 gedämpft und leicht gebrochen wird.
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In 4c ist entsprechend 4b eine konkave Anordnung gezeigt, bei der statt eines Überdrucks im Inneren ein Unterdruck aufgebaut wird. Vorteilhaft ist hier, dass die Folienaußenseite 12 verspiegelt werden kann. Nachteilig ist, dass zur Gewährleistung eines ausreichenden Abstandes zwischen den Folien Trägerrohre mit größerem Durchmesser als bei einem konvexen System benötigt werden.
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5a und 5b zeigen erfindungsgemäße Konzentrator Anordnungen für Solarzellen bei Schrägeinstrahlung in der von der Längs- und Hochachse aufgespannten Schnittebene, die mit Hilfe von Sekundärspiegeln eine Verkleinerung der Bauhöhe des Systems ermöglichen.
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In 5a ist ein Längsschnitt durch das Konzentratorsystem gezeigt. Bei hohen Konzentrationsgraden kann es aus thermischen Gründen vorteilhaft sein, die Solarzellen zur besseren Wärmeabfuhr auf den hier nicht gezeigten Generatorträger 13 anzubringen. Hierzu muss das einfallende Sonnenlicht 16, dass hier entsprechend 1 schräg von vorne einfallend dargestellt ist, durch einen Umlenk- bzw. Sekundärspiegel 24 auf die Absorber 21 zurück reflektiert werden (Strahl 17 und Strahl 25). Durch die doppelte Reflektion sollte zur vollständigen Ausnutzung des vom Primärspiegel 12 eingefangenen Lichts der Kollektor an beiden Enden deutlich über den Primärspiegel hinausragen, was insbesondere bei kleinem Längen- zu Breitenverhältnis die Baulänge des Gesamtsystems überproportional verlängert.
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In 5b ist eine Möglichkeit dargestellt, die Baulänge auf die für die in 1 und 4a gezeigten Ausgestaltungen oder allgemein für Konzentratoren mit größeren F-Zahlen erforderliche Baulänge zu verkürzen. Hierzu wird der Sekundärspiegel 24 in einzelne kippbare Spiegel aufgeteilt, die je nach Einfallswinkel so eingestellt werden, dass der Strahl 17 beispielsweise durch den Strahl 25 auf den Absorber 21 zurück reflektiert wird. Um den aerodynamischen Widerstand dieser Anordnung zu minimieren, kann das System in ein geeignetes Rohr 26 integriert werden, das auf der unteren Seite gut lichtdurchlässig ist.
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6a und 6b zeigen nun Ausführungsformen von Konzentratoren, deren Primärspiegel erfindungsgemäß auf einer Fresnelspiegel-Konfiguration beruht.
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In 6a ist eine andere Ausführungsform des Spiegelsystems dargestellt, bei dem statt eines Parabolrinnenspiegels das einfallende Licht 16 von einem Fresnel-Spiegel reflektiert wird. Das Spiegelsystem wird wieder vorzugsweise wie gezeigt als Off-Axis System ausgebildet. Hierbei werden vorzugsweise ebene Spiegelsegmente 27 so bezüglich ihrer Flächen und Kippwinkel ausgelegt, dass in einer ersten Ausführungsform jede Fläche die Absorberflächen 21 durch die reflektierten Strahlen 17 effizient ausgeleuchtet. Vorteilhaft gegenüber einem Parabolrinnenspiegel ist, dass auch bei kurzen Fokallängen die Zellen gleichmäßiger ausgeleuchtet werden können und der Spiegel günstig in eine leichte formstabile Platte zu integrieren ist. Nachteilig ist, dass durch interne Abschattungen die Aperturfläche gegenüber einem idealen Parabolrinnenspiegel leicht vergrößert werden muss.
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In 6b ist eine kompaktere Ausführungsform eines Fresnel-Spiegelsystems gezeigt, bei der die Bauhöhe des Spiegels reduziert wird. Hierzu werden die in 6a gezeigten Spiegelsegmente 27 in mehrere Teilflächen weiter so unterteilt, dass sie jeweils einzelne Absorbersegmente 21 ausleuchten und sich über die gesamte Kollektorfläche eine optimale Intensitätsverteilung ergibt. Die Kippwinkel der Spiegelsegmente werden so eingestellt, dass die Lücken zwischen den Segmenten 21 nach Möglichkeit nicht bestrahlt werden. Bei größeren monolithischen Absorbern können die Winkel so eingestellt werden, dass sich eine lückenlose optimale Intensitätsverteilung auf dem Absorber ergibt. Vorteilhaft gegenüber herkömmlichen Fresnel-Spiegeln, bei denen die Segmente nach außen hin zur Erzielung einer geringeren Spiegeldicke hin schmaler werden, ist, dass sich die Absorber gleichmäßiger ausleuchten lassen. Weiterhin ergeben sich insbesondere bei in Verbundbauweise aufgebauten Spiegeln aufgrund der größeren, vorzugsweise planen Flächen Fertigungsvorteile.
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Um auch bei größeren Segmentbreiten im Außenbereich des Spiegels noch niedrige Bauhöhen realisieren zu können, wird weiterhin der Winkel 28 zwischen optischer Achse und Spiegelplatte erfindungsgemäß so verkleinert, dass die Bauhöhe des Spiegels minimiert wird. Ebenso wird der Winkel 29 zwischen optischer Achse und den Absorberebenen so eingestellt, dass sich die Absorber mit maximalem Wirkungsgrad betreiben lassen, d. h. die Winkelablagen zwischen den Strahlen 17 und den Absorber-Flächennormalen minimiert werden. Die kompaktere Form vereinfacht für den Nachtflugbetrieb einen Einzug der Flächen in den Flügel. Weiterhin lassen sich mit diesen Spiegeln gegenüber Folien basierten Parabolrinnenspiegeln eine höhere Formstabilität und damit einhergehend höhere Konzentrationsfaktoren erzielen.
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7a und 7b zeigen eine erfindungsgemäße einklappbare Anordnung von mehreren Solarkollektoren, deren Primärspiegel wie beispielsweise Fresnel-Spiegel eine ausreichend geringe Bauhöhe aufweisen.
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In 7a ist eine auf mehreren Generatoren basierende Konfiguration gezeigt. Der einzelne Solargenerator weist beispielsweise jeweils zwei Off-Axis Spiegel 30 auf, deren Absorber auf einer gemeinsamen Trägerstruktur 31 befestigt sind. Die Spiegel können beispielsweise entsprechend 6a oder 6b ausgestaltet sein, wobei deren F-Zahl so festgelegt wird, dass sich die Trägerstruktur mitsamt der Absorber platzsparend in die Primärspiegel-Ebene klappen lässt. Es kann bei Absorberbreiten größer als die Spiegeldicke vorteilhaft sein, die Absorber zur Verringerung des benötigten Volumens im eingefalteten Zustand selbst noch relativ zu ihrer Tragstruktur zu drehen. Der benötigte Platz ist bei der Festlegung der Fokallänge des Spiegels zu berücksichtigen. Anschließend können zur Verkleinerung der umspülten Fläche die beiden Hälften 30 zusammengefaltet werden. Die Flächen 30 können selbst auch zur weiteren Reduzierung der Oberfläche in mehrere weitere Segmente unterteilt werden.
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Wie in 7b dargestellt, können anschließend die zusammengefalteten Solargeneratoren durch einen geeigneten Mechanismus in den Flügel eingeklappt werden. Da die Flügelmitte zur Unterbringung von Antennen etc. bei Nurflüglern üblicherweise größere Profildicken aufweist, d. h. das Flugzeug eine sogenannte „Blended Wing” Konfiguration darstellt, könnte hier in vielen Fällen genügend Platz für ein Stapeln der beiden Generatoren vorhanden sein. Bezugszeichen 32 stellt die übereinander gestapelten Generatoren dar. Die Mechanismen werden so ausgelegt, dass beim Einklappen der Momentenhaushalt des Flugzeuges möglichst wenig gestört wird. Bei Bedarf kann der Mechanismus dreiachsig drehbar ausgeführt werden, so dass sich die Momente um die Flugzeug-Querachse regeln lassen. Bei dieser Lösung ist als Vorteil zu sehen, dass im Batteriebetrieb (Nachtflug) eine aerodynamische hochwertige Konfiguration vorliegt. Weiterhin ist beim Einfahren der Generatoren nur ein begrenzter Bereich der Flügelhinterkante zu öffnen. Nachteilig ist bei der Aufteilung der Generator-Apertur in mehrere Teilflächen, dass bei tiefen Sonnenständen die Generatoren sich gegenseitig abschatten können.
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8a, 8b und 8c zeigen eine erfindungsgemäße verkleinerbare Anordnung mit einem zentralen Generator.
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In 8a sind beispielhaft zwei Teilsysteme zu einem zentralen Generator zusammengefasst, der entsprechend 1 nur noch teilweise durch den Flügel abgeschattet werden kann. Je nach Konzentrationsgrad kann der Generator auch aus einer größeren Anzahl von Teilsystemen bestehen. Die Teilsysteme lassen sich einzeln wie oben beschrieben wieder zusammenfalten und anschließend, wie in 8b gezeigt, noch zu einem einzigen Block 33 mit geringer umspülter Fläche zusammenklappen. Dieser Block kann dann beispielsweise durch aufblasbare Strukturen noch strömungsgünstiger gestaltet werden.
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In 8c ist eine andere Ausgestaltung zur Flächenverringerung gezeigt, bei der die zusammengefalteten Teilflächen nach außen in den Flügel eingeklappt werden. Bei geeigneter Profilkontur können die zusammengefalteten Flächen 34 in einer weiteren Ausgestaltung auch auf der Flügelunterseite gelagert werden. Hierbei sind an der Profilunterseite entsprechende Aussparungen vorzusehen, die gegebenenfalls zur Widerstandsminimierung beispielsweise wieder durch klappbare Flächen, aufblasbare Folien o. ä. strömungsgünstig gestaltet werden. Bei problematischen Strömungsverhältnissen ist allerdings ein Einzug in den Flügel zu bevorzugen. Vorteilhaft bei dieser Lösung ist die geringere Dicke der zusammengefalteten Generatoren 34, die ein Einklappen bei geringeren Profildicken als bei der in 7a und b gezeigten Lösung ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Tragflügel
- 11
- Propellerantrieb
- 12
- Spiegelfläche
- 13
- (Generator-)Träger
- 14
- Absorbertragstruktur
- 15
- Absorberstruktur
- 16
- einfallendes (Sonnen-)Licht
- 17
- reflektiertes Licht
- 18
- Akkumulator
- 19
- aufgerollter Spiegel
- 20
- Spiegelträgerstrukturen
- 21
- Absorber/Absorbersegmente/Solarzellen
- 22
- dreieckförmige Spiegel
- 23
- (lichtdurchlässige) Folie
- 24
- Sekundärspiegel
- 25
- reflektiertes Licht
- 26
- Sekundärspiegeltragstruktur (Rohr)
- 27
- Fresnel-Spiegelsegmente
- 28
- Winkel zwischen optischer Achse und Spiegelebene
- 29
- Winkel zwischen optischer Achse und Absorberebenen
- 30
- Off-Axis-Spiegelsegment
- 31
- Trägerstruktur für gemeinsame Absorber von Off-Axis-Spiegeln
- 32
- übereinander gefaltete eingezogene Generatorenflächen
- 33
- zusammengefaltete und -geklappte Generator-Teilsysteme
- 34
- zusammengefaltete eingezogene Generatorsegmente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19716650 A1 [0005, 0011]
