DE102014201683B4

DE102014201683B4 - Hochleistungsstrahlungssystem mit Strahlungsmodifizierer

Info

Publication number: DE102014201683B4
Application number: DE102014201683.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Willsch; Andreas Neumann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2034-01-31
Also published as: DE102014201683A1

Abstract

Hochleistungsstrahlungssystem (1) mit einem Konzentrator (5) für solare Strahlung oder mit mehreren Kunstlicht-Hochleistungsstrahlern mit Reflektoren und mit einem Strahlungsmodifizierer (11) zur Erzeugung eines Strahlungsprofils mit einer homogenen Strahlungsflussdichte der Strahlung, der ein optisches Bauelement aufweist, wobei das optische Bauelement eine Scheibe (13) aus optischem Glas aufweist, wobei eine Hauptfläche (17) der Scheibe (13) eine aufgeraute Oberfläche aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsmodifizierer (11) in dem Strahlengang des Hochleistungsstrahlungssystems (1) hinter dem Konzentrator (5) oder den Reflektoren positioniert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochleistungsstrahlungssystem mit einem Strahlungsmodifizierer zur Erzeugung eines Strahlungsprofils mit einer homogenen Strahlungsflussdichte.
Es existieren Hochleistungsstrahlungssysteme, bei denen Licht, beispielsweise das Sonnenlicht, um einen Faktor von mehr als 4500 konzentriert wird. Ein derartiges System ist beispielsweise ein Sonnenofen. Diese Strahlung steht für verschiedenste Experimente zur Verfügung, zum Beispiel für die Untersuchung einzelner Komponente von Solarkraftwerken oder für Experimente im Bereich der solaren Chemie und der Materialforschung. Der Vorteil gegenüber einem herkömmlichen elektrisch oder fossil betriebenen Ofen besteht in der besonderen Regelbarkeit der Energiezufuhr. Mittels optischer Einrichtungen, wie Blenden, kann die Energiezufuhr innerhalb weniger Zehntel Sekunden an- bzw. abgeschaltet werden. Die ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen zum Beispiel Temperaturgradienten auf Oberflächen bestrahlter Objekte von Interesse sind, oder als Einsatz für das Spiegelfeld eines Solarkraftwerkes. Darüber hinaus bietet der Sonnenofen gegenüber einem herkömmlichen Ofen die Möglichkeit, bestimmte Wellenlängenbänder, um Sonnenlicht zu nutzen, beispielsweise für chemische Reaktionen.
Mittels optischer Einrichtungen, wie Blenden oder Strahlformer, kann das Profil der Flussdichteverteilung des verwendeten Lichts verändert werden. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen spezielle Flussdichteverteilungsprofile auf oberflächenbestrahlte Objekte geleitet werden. Die konzentrierte Strahlung derartiger Öfen muss nicht notwendigerweise solarerzeugt werden, sondern es besteht auch die Möglichkeit, künstliche Strahlung zu verwenden.
Die Flussdichteverteilung eines typischen Sonnenofens oder Hochleistungsstrahlers ist in der Regel Gauß-förmig, bedingt durch die optischen Fehler der Komponenten. Diese Verteilung hat ein ausgeprägtes Maximum und ausgeprägte Flanken. Die Maximalwerte können beispielsweise bis zu 5 MW/m² erreichen.
Ein derartiges Strahlungsprofil eines Sonnenofens oder Hochleistungsstrahlers weicht häufig von dem von einem durchzuführenden Experiment geforderten Strahlungsprofil ab. Es besteht also die Notwendigkeit, das Strahlungsprofil zu ändern und an das Experiment anzupassen. Bei vielen Experimenten wird beispielsweise eine Bestrahlungsstärke von maximal 1 MW/m² benötigt.
Eine typische Anforderung an die Strahlungsflussdichteverteilung ist ein möglichst ausgedehntes und homogenes Profil. Eine derartige flache, homogene Flussdichteverteilung wird u. a. bei Experimenten in Testständen für Solarturmanwendungen oder Satelliten-Komponententests aus der Raumfahrt gefordert.
Um eine möglichst homogene Strahlungsflussdichte zu erzeugen, werden häufig sogenannte Strahlformer als Strahlungsmodifizierer verwendet. Diese Strahlformer müssen aktiv gekühlt werden, was mit einem hohen technischen Aufwand verbunden ist. Ferner besitzen derartige Strahlformer den Nachteil, dass eine homogene Strahlungsverteilung nur am direkten Austritt an Kühlkörperkanten des Strahlformers zur Verfügung steht, so dass das zu bestrahlende Experiment direkt am oder hinter dem Strahlformer positioniert werden muss. Dies ist bei vielen Experimenten geometrisch nicht möglich oder nur mit erheblichem Aufwand erreichbar. Ferner besteht die Gefahr, dass zwischen dem Experiment und dem Strahlformer eine direkte Wechselwirkung entsteht.
Aus US 2009/0229652 A1 ist ein Strahlungssystem für eine Photovoltaikzelle bekannt, bei der eine Diffusorplatte vor einem Strahlungskonzentrator angeordnet ist, um auf den Konzentrator fallendes Sonnenlicht auf einem größeren Winkelbereich zu verteilen. Das Strahlungssystem weist somit die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 auf.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochleistungsstrahlungssystem mit einem Strahlungsmodifizierer der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei der Strahlungsmodifizierer von einfachem Aufbau ist und darüber hinaus in vorteilhafter Weise in dem Strahlengang positionierbar ist.
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochleistungsstrahlungssystem ist ein Strahlungsmodifizierer zur Erzeugung eines Strahlungsprofils mit einer homogenen Strahlungsflussdichte der Strahlung in einem Strahlungssystem vorgegeben, wobei das Strahlungssystem durch eine solare oder künstliche, das Tageslichtspektrum umfassende Strahlung betrieben ist. Der Strahlungsmodifizierer weist ein optisches Bauelement auf, wobei das optische Bauelement eine Scheibe aus optischem Glas aufweist, wobei eine Hauptfläche der Scheibe eine aufgeraute Oberfläche aufweist, und wobei der Strahlungsmodifizierer in dem Strahlungsgang des Strahlungssystems hinter dem Konzentrator oder dem Reflektor positioniert ist.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Scheibe aus optischem Glas, deren eine Hauptfläche aufgeraut ist, bei einer das Tageslichtspektrum umfassenden Strahlung in vorteilhafter Weise eine homogene Strahlungsflussdichte erzeugt.
Beispielsweise bei einem Sonnenofen, bei dem solare Strahlung stark konzentriert wird, entsteht eine Strahlungsflussdichteverteilung, die einen Peak von ca. 2 cm² mit einem Maximum von mehreren MW/m² aufweist. Über den erfindungsgemäßen Strahlungsmodifizierer kann daraus eine deutlich geglättete Strahlungsflussdichteverteilung erhalten werden, die einen flachen Peak mit einer Größe von ca. 10 cm² und lediglich ein Maximum von etwas über 100 kW/m² besitzt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine großflächige Bestrahlung, wie sie beispielsweise bei Experimenten in Testständen für Solarturmanwendungen oder Satelliten-Komponententests gefordert ist, erzeugt werden.
Der erfindungsgemäße Strahlungsmodifizierer kommt darüber hinaus ohne eine Kühlung aus, so dass der vorrichtungstechnische Aufwand reduziert ist. Die durch das optische Bauelement erzeugte homogene Strahlungsflussdichte bleibt auch über eine längere Distanz bestehen, so dass das optische Bauelement in relativ großem Abstand zu dem Experiment angeordnet werden kann. Grundsätzlich kann das optische Bauelement an einer beliebigen Stelle in dem Strahlengang angeordnet sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die aufgeraute Oberfläche eine mittlere Rauheit von 0,02–0,5 μm aufweist. Eine derartige Oberfläche hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Eine größere Rauheit der Oberfläche führt zu einer stärkeren Streuung des Lichtes, wodurch die Homogenität der Flussdichteverteilung erhöht wird. Die mittlere Rauheit gibt den mittleren Abstand der Punkte der Oberfläche von der Mittellinie der Oberfläche an. Die Mittellinie schneidet das Profil der Oberfläche dabei so, dass die Summe der Profilabweichungen minimal ist.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die aufgeraute Oberfläche eine sandgestrahlte Oberfläche ist. Über eine Sandstrahlung lässt sich die Oberfläche des optischen Glases in vorteilhafter und auf verfahrenstechnisch einfache Weise zur Erzeugung der gewünschten Rauheit aufrauen.
Die Scheibe kann eine Dicke zwischen 5 mm und 20 mm, vorzugsweise 10 mm, aufweisen.
Vorzugsweise besteht die Scheibe aus Quarzglas. Quarzglas hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da Quarzglas in dem Wellenlängenbereich zwischen 290–3500 nm eine hohe, nahezu vollständige Transparenz aufweist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Scheibe eine an das Strahlungsprofil angepasste Größe aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einer Positionierung der Scheibe in dem Strahlengang die gesamte Strahlung durch die Scheibe strahlt und somit zur Erzeugung einer homogenen Strahlungsflussdichte gestreut wird.
Das Hochleistungsstrahlungssystem weist einen Konzentrator für solare Strahlung auf. Der Konzentrator kann beispielsweise eine Fresnel-Anordnung aus mehreren Hohlspiegelelementen sein. ein derartiges Hochleistungsstrahlungssystem wird auch als Sonnenofen bezeichnet.
Alternativ weist das Hochleistungsstrahlungssystem mehrere Kunstlichthochleistungsstrahler mit Reflektoren auf. Die Reflektoren können beispielsweise eine elliptische Form aufweisen. In dem Hochleistungsstrahlungssystem kann ferner eine verstellbare Blende zur Strahlungsregulierung angeordnet sein.
Die Kunstlichthochleistungsstrahler können beispielsweise Xenon-Kurzbogenlampen sein.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Hochleistungsstrahlungssystems in Form eines Sonnenofens und
2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Strahlungsmodifizierers.
Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hochleistungsstrahlungssystem 1 in Form eines Sonnenofens.
Das Hochleistungsstrahlungssystem 1 weist einen Heliostaten 3 auf, der Sonnenlicht auf einen Konzentrator 5 reflektiert. Der Konzentrator 5 ist eine Fresnel-Anordnung aus mehreren Hochspiegelelementen. Beispielsweise kann die Anzahl der Hohlspiegelelemente 159 sein.
Über den Konzentrator wird das Licht auf einen Fokus 7 konzentriert. In diesem Fokus-Punkt kann beispielsweise ein Experiment, das mit der hochkonzentrierten solaren Strahlung bestrahlt werden soll, angeordnet sein.
Das Hochleistungsstrahlungssystem 1 weist ferner eine verstellbare Blende 9 auf, über die die Strahlungsintensität geregelt werden kann. Dadurch kann das Leistungsangebot des Hochleistungsstrahlungssystems 1 an den Leistungsbedarf des Experiments angepasst werden.
In dem Strahlungsweg hinter der verstellbaren Blende 9 ist ein Strahlungsmodifizierer 11 angeordnet. Der Strahlungsmodifizierer 11, der in 2 schematisch im Schnitt dargestellt ist, besteht aus einer Scheibe 13 aus optischem Glas, die in einer Tragstruktur 15 angeordnet ist. Die Scheibe 13 weist eine Hauptfläche 17 auf, die eine aufgeraute Oberfläche besitzt. Die aufgeraute Oberfläche kann eine mittlere Rauheit von 0,02–0,5 μm besitzen und beispielsweise über eine Sandstrahlung hergestellt sein. Die aufgeraute Oberfläche ist auf der in Strahlungsrichtung hinteren Seite der Scheibe 13 angeordnet.
Über die aufgeraute Oberfläche wird das einfallende Sonnenlicht gestreut, wodurch eine homogene Strahlungsflussdichteverteilung hervorgerufen wird.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die aufgeraute Oberfläche auf die in Strahlungsrichtung vordere Seite der Scheibe 13 angeordnet ist, wobei bei dieser Anordnung eine etwas stärkere Streuung hervorgerufen wird.
Der Strahlungsmodifizierer 11 und die Scheibe 13 weisen ein an das Strahlungsprofil angepasste Größe auf, so dass die gesamte von dem Konzentrator 5 konzentrierte Strahlung durch die Scheibe 13 strahlt.
Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Strahlungsmodifizierer 11 in dem Strahlengang hinter der steuerbaren Blende 9 angeordnet. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, den Strahlungsmodifizierer 11 vor der steuerbaren Blende 9 anzuordnen, wobei in diesem Fall die Scheibe 13 entsprechend größer ausgebildet sein muss, um die gesamte von dem Konzentrator 5 reflektierte Strahlung zu erfassen. Grundsätzlich kann der Strahlungsmodifizierer 11 an einer beliebigen Stelle in dem Strahlungsgang angeordnet werden.
Die Scheibe 13 kann aus Quarzglas bestehen.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird der erfindungsgemäße Strahlungsmodifizierer 11 in einem Hochleistungsstrahlungssystem verwendet, das mehrere Kunstlichthochleistungsstrahler mit elliptischen Reflektoren aufweist. Auch in einem derartigen Hochleistungsstrahlungssystem kann der Strahlungsmodifizierer an einer beliebigen Stelle in dem Strahlengang angeordnet sein.

Claims

Hochleistungsstrahlungssystem (1) mit einem Konzentrator (5) für solare Strahlung oder mit mehreren Kunstlicht-Hochleistungsstrahlern mit Reflektoren und mit einem Strahlungsmodifizierer (11) zur Erzeugung eines Strahlungsprofils mit einer homogenen Strahlungsflussdichte der Strahlung, der ein optisches Bauelement aufweist, wobei das optische Bauelement eine Scheibe (13) aus optischem Glas aufweist, wobei eine Hauptfläche (17) der Scheibe (13) eine aufgeraute Oberfläche aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsmodifizierer (11) in dem Strahlengang des Hochleistungsstrahlungssystems (1) hinter dem Konzentrator (5) oder den Reflektoren positioniert ist.
Hochleistungsstrahlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberfläche eine mittlere Rauheit von 0,02 bis 0,5 μm aufweist.
Hochleistungsstrahlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberfläche eine gesandstrahlte Oberfläche ist.
Hochleistungsstrahlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (13) eine Dicke zwischen 5 mm und 20 mm aufweist.
Hochleistungsstrahlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (13) aus Quarzglas besteht.
Hochleistungsstrahlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (13) eine an das Strahlungsprofil angepasste Größe aufweist.
Hochleistungsstrahlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator (5) eine Fresnel-Anordnung aus mehreren Hohlspiegelelementen aufweist.
Hochleistungsstrahlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren eine elliptische Form aufweisen.
Hochleistungsstrahlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine verstellbare Blende (9) zur Strahlungsregelung.