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Die Erfindung betrifft einen Parabol-Stufenreflektor und ein Verfahren zur Herstellung und zum Justieren des Parabol-Stufenreflektors.
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Sonnenkonzentratoren (Linsen, Reflektoren) transformieren die einfallende Strahlungsleistung auf eine kleine Fläche, meist den Brennpunkt des optischen Systems. Die „Flächen-Energiedichte” und damit die Temperatur kann dadurch beträchtlich erhöht werden. Temperaturen von mehreren 100 Grad Celsius lassen sich damit erreichen. Höhere Temperaturen sind nach dem 2. Hauptsatz der Wärmelehre eine Voraussetzung für den Wirkungsgrad der Energieumwandlung im WEM-Konverter (Wärme, Elektrizität (Photovoltaik, Peltier-Technik) oder mechanische Energie (M-Konverter) durch geeignete Wärme-Kraft-Maschinen (Stirling-Motoren). Augustin Jean Fresnel hat um 1822 die nach ihm benannte Fresnelsche Stufenlinse erfunden, die lange Zeit in historischen Leuchttürmen eingesetzt wurde. Diese Bauart zeichnet sich gegenüber den normalen Linsen dadurch aus, dass sie eigentlich aus mehreren kreisringförmigen Linsen besteht, die ineinandergesetzt sind. Hierbei lassen sich die kreisringförmigen Teillinsen in der Höhe stark reduzieren, so dass insbesondere bei kurzen Brennweiten und großen Linsendurchmesser erheblich an Gewicht gespart werden kann. Wird dieses Verfahren auf Reflektoren angewendet, werden diese häufig als „Fresnel-Reflektoren” bezeichnet, obwohl es nur Reflektoren nach dem Fresnel-Prinzip sind.
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In der Druckschrift
DE 10 2007 061 153 A1 wird eine Methode vorgeschlagen, metallische Reflektoren mit Fresnelstruktur direkt mit einer Profilwalze im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu walzen. Diese dünnen Metallfolien sollen auf ebenen Platten aufgebracht werden, die dann die reflektierte Strahlung auf eine in der Brennlinie angebrachten linearen W-Konverter lenkt. Dieses vorgeschlagene großtechnische Verfahren konkurriert mit dem bereits in der Anwendung befindlichen Parabol-Rinnen-Verfahren. Der Hauptnachteil besteht in den extrem hohen Investitionskosten. Weiterhin ist dieses Verfahren für konzentrische Spiegel nur schwer zu realisieren. Es ist vorwiegend für lineare Anwendungen konzipiert.
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In der Druckschrift
DE 86 22 427 U1 wird ein Sonnenkollektor beschrieben, der für eine industielle Massenfertigung sowie für den „Do-it-yourself-Anwender”-Markt geeignet ist.
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An Stelle eines paraboloidförmigen Reflektors wird ein sogenannter ”Fresnel-Reflektor” vorgeschlagen. Er besteht aus einer geprägten dünnen Kunststofffolie die vorderseitig mit einer spiegelnden Schicht metallisiert wird. Als Vorteil wird angegeben, dass die einfallenden Lichtstahlen kein zusätzliches Medium passieren müssen und daher die reflektierte Gesamtstahlung nicht durch spektrale Absoption verringert wird. Der vorgeschlagene „Fresnel-Spiegel” ist dünn und praktisch zweidimensional, die Oberflächenstruktur ist „sägezahförmig”, wobei die Neigung der einzelnen reflektierenden Elemente unterschiedlich sein muss. Auf eine parabolförmige Ausgestaltung der geneigten Flächen wird meist verzichtet. Dieser dünne „Fresnel-Spiegel” kann somit auf eine ebene Trägerplatte einfach montiert bzw. aufgeklebt werden. Diesen Vorteilen stehen mehrere Nachteile entgegen. Für Reflektoren mit hinreichend großer Fläche (wenigstens 1 m2) sind die Werkzeugkosten für den Prägestempel und auch die Kosten für Verpackung und Transport sehr hoch. Weiterhin ist der angegebene Vorteil einer frontseitigen Metallisierung recht fraglich, da entsprechende Schutzschichten gegen Witterungseinflüsse unbedingt nötig sind. Der Vorteil einer dünnen, nach dem Fresnel-Prinzip geprägten Folie, ist die gegenüber einem parapolischen Reflektor sehr geringe räumliche Höhe. Allerdings wird dieser Vorteil zum Teil durch den Verlust der Eigensteifigkeit stark eingeschränkt, da zur Stabilisierung eine ebene stabile Trägerplatte benötigt wird, die das Gesamtgewicht des Reflektors beträchtlich erhöht. Ein konzentrischer Sonnenreflektor benötigt im Betrieb meistens eine goniometrische Sonnennachführung, seltener einen Heliostaten. Im ersten Fall ist ein geringes Gewicht des Reflektors von großer Bedeutung, da die Stabilität und damit das Gewicht vom benötigten Goniometer davon abhängen. Bei einer Nutzung durch den „Do-it-yourself-Anwender” muss die Betriebssicherheit während des Aufbaus und auch im späteren Betrieb lückenlos gewährleistet sein. Der Brennpunkt oder die Brennlinie befindet sich vor dem Spiegel in einem frei zugänglichen Bereich und müsste wegen akuter Verbrennungs- und Blendungsgefahr sicher abgesperrt werden. Dies lässt sich bei privater Anwendung kaum kontrollieren, muss aber durch den Hersteller garantiert werden können. Was im industriellen Bereich keine Probleme bereiten kann, ist im privaten unverzichtbar.
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Prinzipiell gibt es für die nachgeführten Parabolspiegelanlagen einen konstruktiven Nachteil, der darin besteht, dass sich der Nutzungsbereich für die Sonnenwärme in der Nähe des Brennpunktes befindet. Dieser ist aber leider immer recht weit entfernt vom Drehpunkt des Goniometers. Es müssen stabile Konstruktionen am Goniometer angebracht werden, die an einem langen Hebelarm die Lasten tragen, die für die Halterung des WEM-Konverters zur Nutzung der Energie benötigt werden, insbesondere dann, wenn man relativ schwere Stirlingmotoren zur direkten Umwandlung der Wärme in mechanische Energie einsetzen will. Da ein leistungsarmer Betrieb des Goniometers nur im Gleichgewicht möglich ist, muss ein gleichgroßes Gegengewicht vorgesehen werden, das das Gesamtgewicht des Spiegels inklusive Goniometer sowie dessen Trägheitsmoment weiterhin vergrößert. Auch die Verkabelung (Wasserleitungen, usw.) bringt Probleme mit sich, da sie von einer weit entfernten Stelle zum Drehpunkt des Goniometers geführt werden muss. Schließlich wird der Wirkungsgrad durch die nicht zu vermeidende Abschattung der Aufbauten geschmälert.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen vielseitig verwendbaren leichten, kostengünstig herstellbaren Parabol-Stufenreflektor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und Justierung vorzuschlagen, wobei eine hohe Betriebssicherheit während des Aufbaus und im späteren Betrieb, insbesondere für den „Do-it-yourself-Anwender” gewährleistet ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 10 und 12 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 und 11 enthalten.
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Die Erfindung basiert auf konzentrischen Reflektoren. Herkömmliche Reflektoren dieser Bauart erfordern in der Regel paraboloidförmige Metallflächen hoher optischer Oberflächengüte oder metallisierte Kunststoffparaboloide. Die oben erwähnten Nachteile werden erfindungsgemäß mit dem „leichten segmentierten Parabol-Stufenreflektor mit zusätzlichem Plan-Reflektor” behoben.
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Erfindungsgemäß wird der vier- oder sechseckige Parabol-Stufenreflektor in mindestens zwei, vorzugsweise in vier gleiche Teilreflektoren mit vorzugsweisen quadratischen Außenmaßen aufgeteilt, wobei die Parabolstruktur so berechnet ist, dass alle Teilreflektoren nach der Justierung räumlich den gleichen Brennpunkt haben. Die Werkzeugkosten insbesondere die Formkosten können dadurch erheblich gesenkt werden. Auch eine „tortenförmige” Aufteilung, z. B. in 6 Teile ist möglich. Aber der hierfür nötige Aufwand für eine Halterung und Justierung der Teilreflektoren ist damit größer.
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Um die Dicke des Reflektors klein zu halten, wird vorteilhaft eine Parabol-Stufen-Struktur (Stufenparaboloide) verwendet. Hier muß natürlich jedem Bereich zwischen den Stufen die passende Brennweite so zugeordnet werden, damit der räumliche Brennpunkt für alle Bereiche gleich ist. Durch die Zerlegungsmöglichkeit werden auch beim Versenden die Verpackungs- sowie die Transportkosten niedrig gehalten. Erfindungsgemäß wird für einen Teilreflektor eine dünne klardurchsichtige Kunststofffolie, vorteilhaft Acrylglas, mittels Tiefzieh-Vakuumverformung in eine mit wenigen Stufen versehene Paraboloidform gebracht, wobei die entsprechenden Teilparaboloide jeweils solche Brennweiten zugeordnet bekommen, dass sich das quasiparallele auffallende Sonnenlicht in der Brennebene der Paraboloide als Sonnenbild sammelt. Die Zahl der Stufen ergibt sich aus der Wahl der Stufenhöhe, der Brennweite sowie der Reflektorabmaße. Durch die Aufteilung des Reflektors verringern sich auch die Kosten für die im Tiefziehverfahren nötigen Werkzeugformen erheblich. Im Gegensatz zu den oben angeführten dünnen zweidimensionalen Spiegelfolien (Strukturhöhe < 1 mm) mit Fresnelcharakter ist beim erfindungsgemäßen Stufenreflektor die Stufenhöhe vorteilhaft im 1–3 cm-Bereich gewählt. Dies ist darin begründet, dass kleine Stufen im Tiefziehverfahren nicht gut abgebildet werden können. Weiterhin steigt die Eigensteifigkeit der geformten Kunststofffolie mit Vergrößerung der Stufenhöhe. Die schwere plane Halteplatte kann durch einen leichten Rahmen oder Gitter ersetzt werden. Da es vorteilhaft ist, die Stufenhöhe konstant zu halten, müssen sich zwangsläufig die radialen Abstände zwischen den Teilparaboloiden in Richtung zum Zentrum entsprechend vergrößern. Diese geformte Kunststofffolie, die nicht durch ein aufwändiges Prägeverfahren hergestellt werden muss, ist durch wenige Stufen gekennzeichnet und im Tiefziehverfahren in mittleren Stückzahlen leicht herzustellen. Für größere Stückzahlen kann das Spritzgußverfahren zur Anwendung kommen. Die geformte Folie wird danach auf der Rückseite mit einer hoch reflektierenden Spiegelschicht versehen, die somit auch wirksam vor Witterungseinflüssen durch die Kunststofffolie selbst geschützt ist. Diese geformte spiegelnde Plexiglasfolie wird fest mit dem Stabilisierungs-Rahmen oder -Gitter verbunden. Beide werden dann in eine stabile, leichte Halteform mit entsprechend einfachen Montagemöglichkeiten eingebettet. Je leichter diese Gesamtkonstruktion bei guter Stabilität ausgeführt werden kann, um so leichter können die Konstruktion und der Antrieb des zur Sonnennachführung benötigten Goniometers ausfallen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein aus leichtem stabilen Profil- oder Stab-Material hergestellter Rahmen oder Gitter auf die rückseitige spiegelnde Plexiglasfolie gelegt wird und beides mit einem geschlossen-porigen leichten Hartschaum eingeschäumt wird. Hierbei wird die Plexiglasfolie zweckmäßigerweise vorher in eine Positiv-Form so eingelegt, daß eine Verformung der Plexiglasschicht während des Einschäumen ausgeschlossen bleibt. Das Gesamtgewicht des Parabol-Stufenreflektors ergibt sich daher nur aus der dünnen Kunststofffolie, den Aluminiumprofilen und dem leichten Verbindungsschaum. Eine dünne leichte Blech- oder Kunststoffumkleidung gegen äußere Beschädigungen kann bei Bedarf zweckmäßig gleich mit eingeschäumt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Sufenreflektors
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2: einen Teilreflektor mit Stufen
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3: einen Querschnitt des Stufenparaboloides
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4: eine Anordnung eines Laserpointers zur Justierung
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5: eine Justieranordnung
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6: Teilreflektoren mit Goniometer
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In 1 ist die zweckmäßigste Ausführung als Prinzipskizze einer Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Parabol-Stufenreflektors mit vier gleichen Teilreflektoren A1...A4 dargestellt. Ein Teilreflektor weist nach 2 Stufen 12 mit Stufenradien 11 und Teilbereichen 13 zwischen den benachbarten Stufen auf. Der Querschnitt des oben näher beschriebenen erfindungsgemäßen Parabol-Stufenreflektors zeigt in 3 wie die Kunststofffolie 16 mit Parabolstruktur mit dem Stab- oder Gitterrahmen 14 und der Befestigungsbolzen 18 im Hartschaum 15 eingebettet sind sowie die Stufenhöhe 17 der Parabolstruktur.
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Die Halterung der Teilreflektoren A1 bis A4 wird erfindungsgemäß gelöst, indem auf einem Zentral-Rohr 1 aus stabilem leichtem Metall zwei Montageplatten, die Halteplatte 4 und die Ankerplatte 10 im Abstand etwa von der Seitenlänge eines Teilreflektors senkrecht zur Achse angebracht werden, wobei alle vier Teilreflektoren A1...A4 jeweils mit Befestigungsstangen 5 mit der Halteplatte 4 verbunden werden. Weiterhin wird jeder Teilreflektor A1 bis A4 an zwei außen liegenden oder anderen Befestigungen als Klemmvorrichtung 3 mit „knickstabilen” Abstandsstangen 2 mit der Ankerplatte 10 so verbunden, dass die Teilreflektorflächen A1...A4 parallel zur Halteplatte 4 und damit senkrecht zur Achse des Zentral-Rohres 1 kommen. Durch Vergrößern oder Verkleinern des Abstandes Teilreflektor-Ankerplatte mit den beiden seitlichen Abstandsstangen 2 in der Klemmvorrichtung 3 kann die Neigung jedes der vier Teilreflektoren A1...A4 bei der Justierung in drei Achsen variiert werden. Vorteilhaft erhalten die Abstandsstangen 2 an ihren Enden jeweils Rechts- und Linksgewinde. Damit kann durch einfaches Drehen der Abstandsstangen der Abstand feinfühlig variiert werden.
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Die Justierung der Teilreflektoren A1...A4 erfolgt erfindungsgemäß mit einem Laserpionter 19, der gemäß 4 mit einer einfachen Hilfskonstruktion 20 mittig in das das Zentral-Rohr 1 hinter der Ankerplatte 10 eingeschoben wird. Mittels dreier Justierschrauben 21 wird der Laserstrahl 23 und die Rohrachse zur Deckung gebracht. Nun wird nach 5 der vormontierte Parabol-Stufenreflektor mit der justierten Hauptachse im Abstand der Brennweite etwa parallel zu einem planen Hilfsspiegel 22 etwa in der Größe des Parabol-Stufenreflektors so angebracht und so ausgerichtet, dass der achsiale Laserstrahl 23 vom Hilfsspiegel 22 in sich zurück geworfen wird. Der Laserpunkt 24 auf dem Hilfsspiegel 22 wird markiert. Wird mm der Laserpionter 19 direkt auf den Hilfsspiegel 22 gestellt bzw. gehalten, so dass er senkrecht zum planen Hilfsspiegel 22 in den Parabol-Stufenreflektor stahlt. Der reflektierte Laserstrahl 23 muss nun genau auf die vorher markierte Stelle auf den Hilfsspiegel 22 auftreffen, wenn der Teilreflektor korrekt justiert ist. Wenn nicht, so kann dies durch Verlängern oder Verkürzen des Abstandes Teilreflektor – Ankerplatte 10 mittels der Abstandsstangen 2 erreicht werden. Es ist einfach nachzuprüfen, ob sich der Parabol-Stufenreflektor direkt im Abstand der Brennweite vom Hilfsspiegel 22 befindet: Wird eine kreisförmige Bewegung mit dem Laserpionter 19, der in den Teilreflektor strahlt, auf dem Hilfsspiegel 22 im Uhrzeigersinn ausgeführt, so ist der Abstand Hilfsspiegel-Parabol-Stufenreflektor zu vergrößern, wenn der reflektierte Strahl ebenfalls im Uhrzeigersinn auf dem Hilsfsspiegel 22 rotiert. Rotiert er dagegen gegen den Uhrzeigersinn, so muss der Abstand verkürzt werden. Der korrekte Brennpunktabstand ist gegeben, wenn der reflektierte Strahl „in einem Punkt in der Nähe des markierten Laserpunktes 24 rotiert”. Durch Vergrößern oder Verkleinern des Abstandes Teilreflektor-Ankerplatte 10 durch Verschieben der beiden seitlichen Abstandsstangen 2 in den Klemmvorrichtungen 3 wird nun der reflektierte Stahl in den markierten Punkt auf dem Hilfsspiegel justiert.
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Nachdem diese Prozedur auch bei den anderen Teilreflektoren durchgeführt ist, ist der Gesamtreflektor justiert.
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Erfindungsgemäß wird der Nachteil des weit außen liegenden Brennpunktes 8 und der damit verbundenen Gewichtszunahme durch die nötigen Haltekonstruktionen für den WEM-Konverter und das dadurch erforderliche Gegengewicht behoben, indem nach den 1 und 6 ein mittels Haltestangen 6 auf Abstand zu den Teilreflektoren gehaltener planer Reflexionsspiegel 9 senkrecht zur Achse des Zentralrohrs 1 des Parabol-Stufenreflektors zwischen Brennpunkt 8 und Goniometerschwenkachse 25 angebracht wird. Dadurch kann der reflektierte Brennpunkt 7 recht nahe an die Schwenkachse des Goniometers 26 zurückgesetzt werden. Der erfindungsgemäße plane Reflexionsspiegel befindet sich innerhalb der Brennweite und lenkt kein Streulicht um. Die beim Einbau des planen Reflexionsspiegels 9 verbunden Reflexionsverluste von ca. 4% sind sehr gering und können durch leichte Vergrößerung der Reflektorfläche ausgeglichen werden, wenn es unbedingt erforderlich ist.
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Mit dieser Anordnung werden gleich mehrere der oben angeführten Nachteile behoben:
Zum Einen kann in einem WEM-Konverter sogar ein schwerer Stirling-Motor in unmittelbarer Nähe vom reflektierten Brennpunkt 7 eingebaut werden ohne dass gleichzeitig ein gleich schweres Gegengewicht nötig ist.
Zum Anderen gibt es kein Problem mit der Verlegung und Abschattung durch die Leitungen zum WEM-Konverter. Die unvermeidlichen Abschattungen durch die Haltestangen 6 für den planen Reflexionsspiegel 9 halten sich in Grenzen, da der relativ leichte Reflexionsspiegel nur recht dünne Haltestangen 6 benötigt. Schließlich ist das „Sicherheitsproblem” zufriedenstellend gelöst, denn es kann sich keiner durch unachtsames Bewegen vor dem Parabol-Stufenreflektor Brandverletzungen zuziehen, da sich der heiße Brennpunkt 8 im inneren Bereich der Anlage befindet. Letztendlich steht damit auch eine gute Ruhe- und Sturmstellung zur Verfügung:
Dadurch, dass durch den planen Reflexionsspiegel 9 auch dieser näher zum Drehpunkt des Goniometers 26 liegt, kann der erfindungsgemäße Parabol-Stufenreflektor bei Bedarf so gedreht werden, dass seine reflektierende Seite nach unten zeigt. Regen und Schnee können dann nicht auf die Oberfläche fallen und dem Wind wird keine große Angriffsfläche geboten.
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Die Erfindung ermöglicht eine kostengünstige Herstellung und einfache Montage größerer reflektierender Sonnenkonzentratoren mit einem breiten Anwendungsbereich, insbesondere für den „Do-it-yourself-Anwender”-Markt, sowie bei speziellen Forderungen, z. B. in der Scheinwerfer-Technik. Auch eine Anwendung als Teleskopspiegel mit sehr großer Öffnung liegt im Bereich der Möglichkeiten.
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Bezugszeichenliste
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- A1...A4
- Teilreflektor
- 1
- Zentralrohr
- 2
- Abstandsstange
- 3
- Klemmvorrichtung
- 4
- Halteplatte
- 5
- Befestigungsstange
- 6
- Haltestange
- 7
- reflektierter Brennpunkt
- 8
- Brennpunkt
- 9
- planer Reflexionsspiegel
- 10
- Ankerplatte
- 11
- Stufenradius
- 12
- Stufe
- 13
- Teilbereich zwischen benachbarten Stufen
- 14
- Stab- oder Gitterrahmen
- 15
- Hartschaum
- 16
- Kunststofffolie mit Parabolstruktur
- 17
- Stufenhöhe
- 18
- Befestigungsbolzen
- 19
- Laserpointer
- 20
- Hilfskonstruktion
- 21
- Justierschrauben
- 22
- Hilfsspiegel
- 23
- Laserstrahl
- 24
- Laserpunkt
- 25
- Goniometer-Schwenkachse
- 26
- Goniometer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007061153 A1 [0003]
- DE 8622427 U1 [0004]
