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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme, sowohl für die Anwendung in Gebäuden zur Trinkwassererwärmung und für Heizungzwecke als auch zur Nutzung in der Industrie als Prozesswärme.
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Es ist bekannt, dass konzentrierende Solarkollektoren im wesentlichen aus einer transparenten Abdeckung und/oder mindestens einer linearen Linse mit einer im Abstand dazu angeordeneten Absorbereinrichtung bestehen. Die wärmeleitenden Bestandteile des Solarkollektors sind zumeist mit einer Wärmedämmung in einem Rahmen montiert und mit Anschlüssen zu anderen Komponenten einer Solaranlage versehen.
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Aus der Patentschrift
US 4116224 ist ein Solarkollektor mit einem Absorber bekannt, der aus mehreren aneinander grenzenden, wärmeleitend miteinander verbundenen Absorberrohren besteht, die in Längrichtung jeweils eine 90° Öffnung aufweisen. Die eine Hälfte der Öffnungen der Absorberrohre liegen im Querschitt betrachtet im ersten Quadranten, die der anderen Hälfte im zweiten Quadranten des Koordinatensystems. Dabei sind die Öffnungen der beiden Hälften einander zugewandt. Die sonnenbestrahlten inneren und äußeren Flächen der Rohre sind mit einer die Wärme absobierenden Schicht versehen, so dass die direkte und die reflektierte Sonnenstrahlung absorbiert werden kann. Mindestens ein Wärmeträgerkanal ist wärmeleitend mit zwei Absorberrohren verbunden. Die Absorberrohre sind mit den Wärmeträgerkanälen als ein Stranggussbauteil ausgeführt. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Solarkollektors wird als Ersatz für eine Glasplatte, die nur als transparente Abdeckung dient, eine Zylinderlinse vorgeschlagen. Weiterhin wird vorgeschlagen, nur eine Linse für eine Absorbereinheit zu nutzen und sie parallel zueinander ausgerichtet anzuordnen. Die Brennlinien der Linse sollen in der durch die Achsen der Absorberrohre gebildeten Ebene liegen.
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In der Patentschrift
WO 2010/139460 A2 wird ein Solarkollektor mit einer linearen Linse und einer Absorbereinrichtung beschrieben. Die Absorbereinrichtung besteht aus einem zur Linse geöffnetem U-förmigen Trägerprofil mit einem eingesetzten Absorber, wobei der Absorber auf seiner der Linse zugewandten Seite eine sich entlang der Fokuslinie der Linse erstreckende muldenförmige Ausbildung mit bauchigem Querschnitt aufweist und parallel zur muldenförmigen Ausbildung wenigstens zwei Wärmeträgerkanäle vorgesehen sind. Der Absorber soll aus Kupfer bestehen und aus dem Vollen gefertigt werden, wobei vorzugsweise die Wärmeträgerkanäle als Bohrungen ausgeführt sind und/oder die muldenförmige Ausbildung gefräst ist. Der Bereich der muldenförmigen Ausbildung des Absorbers soll an der Oberfläche wärmeabsorbierend behandelt sein. Als lineare Linsenbauform wird eine Fresnel-Linse vorgeschlagen.
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In der Patentschrift
DE 10 2008 025 838 A1 wird ein Solarkollektor mit einer linearen Linse und einer konkave Bestrahlungsfläche an einem Receiverrohr beschrieben. Die lineare Linse, die parallel zum Receiverrohr angeordnet ist, besteht aus wenigstens einem asphärischen Linsenelement das auf einer transparenten Platte derart gebildet ist, dass der Brennpunkt der Linse für zumindest weitgehend jeden Einfallswinkel des Sonnenlichts auf der Bestrahlungsfläche liegt. Eine entsprechend asphärische Ausformung der konkave Bestrahlungsfläche wird als vorteilhaft angegeben.
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Die genannten Lösungen sind mit wesentlichen Nachteilen behaftet. Der Nachteil der Lösung aus der Patentschrift
US 4116224 besteht darin, dass das maximale Konzentrationsverhältnis nicht erreichbar ist, da die Brennlinien der Linse nicht auf der Absorberrohrfäche sondern sich in der Achse der Absorberrohre treffen. Das Stahlenbündel wird bis zur Absorberrohrfäche wieder aufgeweitet. Weiterhin ist die Wärmeübertragung vom Absorber zu den Wärmeträgerkanälen nicht optimal, da der Weg vom Ort der absorbierten Wärmestrahlung zum nächsten Wärmeträgerkanal zu lang ist und damit erhöhte Widerstände bei der Wärmeleitung und zusätzlich Übertragungsverluste auftreten.
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Ein wesentlicher Nachteil der Lösung aus der Patentschrift
WO 2010/139460 A2 ist darin zu sehen, dass das maximale Konzentrationsverhältnis aufgrund der Ausführungsform des Absorbers und/oder der Fresnel-Linse nur über einen kleinen Winkelbereich genutzt werden kann, so dass eine Nachführung des Solarkollektors erforderlich ist. Es ist keine geometrisch-optische Abstimmung der Linsen- mit der Absorberform gegeben.
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Nachteilig bei der Lösung aus der Patentschrift
DE 10 2008 025 838 A1 ist, dass das maximale Konzentrationsverhältnis bei der angegebenen Ausführungsform der Linse nur über einen kleinen Bereich des Stahlenbündels, also dem Abstand der Randstrahlen, optimal genutzt werden kann. Weiterhin muß für eine effektive Wärmeübertragung das Receiverrohr gegenüber der Linearlinse im Querschnitt sehr klein ausgelegt werden, was wiederum den effektiven Winkelbereich so stark einengt, dass eine Nachführung des Solarkollektors erforderlich wird. Hinzu kommt der Nachteil, das die asphärischen Linsen und die Bestrahlungsflächen des Absorbers sehr aufwendig in der Fertigung sind, gerade bei den hier notwendigen engen Toleranzen.
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Die Sonnenbewegung beschreibt gerade im Sommer einen großen Winkelbereich sowohl im Sonnenazimut als auch in der Sonnenhöhe. Die Vorrichtungen aus dem Stand der Technik können ohne Nachführung nach der Sonnenbewegung nicht effektiv betrieben werden. Für eine effektive Nutzung dieser Solarkollektoren sind hier Nachführungen bezüglich der Sonnenbewegung erforderlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, die eine effektive Konzentration der Sonnenstrahlung über einen sehr großen Bereich der Sonnenbewegung ermöglicht, so dass keine Nachführung notwendig ist. Dabei soll ein großes Konzentrationsverhältnis zur Erzeugung von Wärme mit ausreichend hohem Temperaturniveau erreicht werden. Der Solarkollektor soll wirtschaftlich zu fertigen, langlebig und recycelbar sein und weitere, zuvor genannte Nachteile des Standes der Technik beseitigen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Linse des konzentrierenden Solarkollektors als bikonvexe Zylinderlinse 11 ausgebildet ist, die im Querschnitt sonnenseitig einen Ellipsenbogen und absorberseitig einen Kreisbogen beschreibt, wobei die Hauptachse der Ellipse 2 und der Mittelpunkt des Kreisbogens 4 auf der optischen Achse der Linse 11 liegen. Mit optimalem Abstand zur Linse 11 ist ein Absorberblech 12 angeordnet, das im Querschnitt sonnenseitig, und im Versatz dazu das Blech bildend, Ellipsenbögen beschreibt und der Scheitelpunkt des sonnenseitigen Ellipsenbogens auf der optischen Achse im Brennpunkt der Linse 6 liegt. Die vom extrudierten sonnenseitigen Ellipsenbogen des Absorbers 12 gebildete Fläche ist selektiv beschichtet. Am oder im Absorberblech 12 sind Wärmeträgerkanäle 16 so angeordnet oder integriert, dass sie abstandsgleich versetzt zum sonnenseitigen Ellipsenbogen des Absorbers 12 verlaufen.
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Die Vorteile der Erfindung liegen vor allem darin, dass eine effektive Konzentration der Sonnenstrahlung über einen sehr großen Bereich der Sonnenbewegung möglich ist. Eine Nachführung nach der Sonnenbewegung ist nicht erforderlich. Das maximal mögliche Konzentrationsverhältnis dieses Solarkollektors erzeugt Wärme, die auch in den Wintermonaten ein für die Nutzung in Gebäuden genügend hohes Temperaturniveau erreicht. Der Lichtkonzentrationsfaktor kann durch den Abstand zwischen der Linse und dem Absorber eingestellt werden. Der Solarkollektor wirkt ausserhalb des konzentrierenden Winkelbereiches ähnlich wie ein Flachkollektor. Besonders eine Zylinderlinse aus einem optischen Kunststoff und ein Absorber aus einer geeigneten Nichteisenmetalllegierung können mittels Kunststoffspritzguss- beziehungsweise Stranggussverfahren wirtschaftlich günstig gefertigt werden.
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Weiterhin können durch geeignete Abstimmung des Linsen- mit dem Absorberquerschnitt optische Geometriefehler minimiert werden.
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Die Durchströmung der Wärmeträgerkanäle mit Wärmeträgerflüssigkeit kann durch temperatursensible Ventile geregelt werden. Die Lösung aus der Erfindung ermöglicht die Verwendung von langlebigen Bestandteile und führt damit zu einer langen Nutzungsdauer des Solarkollektors. Alle Bestandteile des Solarkollektors können aus wiederverwendbaren beziehungsweise recycelbaren Materialien hergestellt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen beschrieben, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1: Abbildungsmodell des optischen Systems des konzentrierenden Solarkollektors
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2: Querschnitt des Kollektors mit drei Einfallswinkels der Sonnenstrahlen, mit konzentrierender Wirkung
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3: Querschnitt des Kollektors mit drei Einfallswinkels der Sonnenstrahlen und vollständiger Reflexion der Strahlen am Längssteg, ohne konzentrierende Wirkung
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4: Längsschnitt des Kollektors mit schräg einfallenden Sonnenstrahlen, mit direkter Strahlungstransmission und teilweiser Reflexion der Strahlen am Endsteg
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5: Längsschnitt des Kollektors mit Sonnenstrahlen bei einem Einfallswinkel mit vollständiger Reflexion der Strahlen am Endsteg
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In 1 ist das Abbildungsmodell des optischen Systems eines Segmentes des konzentrierenden Solarkollektors dargestellt. Es ist ein Querschnitt durch die transparente Abdeckung 10, die bikonvexe Zylinderlinse 11 und den Absorber 12. Der Lichtstrahl 9 trifft auf die transparente Abdeckung 10 innerhalb der Aperturblende 1. An der transparente Abdeckung 10 wird eine Teil des Lichtstrahls 9 reflektiert und von der Abdeckung absorbiert. Der transmittierte Anteil des Lichtstrahls 9 trifft auf den sonnenseitigen Ellipsenbogen der Zylinderlinse 11. Die Hauptachse 2 und die Nebenachse 3 der Ellipse charakterisieren den Ellipsenbogen. Der Lichtstrahl 9 trifft anschließend auf den absorberseitigen Kreisbogen der Zylinderlinse 11. Dieser Kreisbogen wird durch den Radius 4 beschrieben. Die Hauptachse der Ellipse 2 und der Mittelpunkt des Kreisbogens liegen auf der optischen Achse der Zylinderlinse 11. Durch den Abstand der Mittelpunkte der Ellipse und des Kreises ist bei gegebenen Radius 4 und der Hauptachse 2 die Dicke der Zylinderlinse 11 festgelegt. An dem Ellipsenbogen und dem Kreisbogen der Zylinderlinse 11 wird der Lichtstrahl 9 gebrochen und teilweise reflektiert. Ein Teil des Lichtstrahls 9 wird durch die Zylinderlinse 11 absobiert. Der transmittierte Anteil des Lichtstrahls 9 trifft auf den Scheitelpunkt des sonnenseitigen Ellipsenbogen des Absorbers 12, der dem Brennpunkt 6 im Linsenquerschnitt beziehungsweise der Brennlinie der Zylinderlinse 11 entspricht.
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In den 2, 3, 4 und 5 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des konzentrierenden Solarkollektors mit drei Segmenten im Quer- und Längsschnitt dargestellt. Auf die 1 wird für detaillierten Erläuterungen auch weiterhin Bezug genommen. Der Solarkollektor wird aus Segmenten mit funktionsgleicher Struktur gebildet und besteht im wesentlichen aus der Abdeckung 10, der Zylinderlinse 11, dem Absorber 12 mit Wärmeträgerkanälen 16, dem Längssteg 13, dem Endsteg 17, der Wärmedämmung 14 und dem Gehäuse 15. Die Abdeckung 10 ist ein flaches Solarglas, das hochtransparent und gehärtet ist. Das Solarglas erfüllt die Forderungen nach hoher Lichtdurchlässigkeit und dem Schutz vor Umwelteinflüssen wie Regen oder Hagel. Die Zylinderlinse 11 des Ausführungsbeispiels besteht aus dem optischer Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA). PMMA hat eine wesentlich geringere Dichte als optisches Glas, wodurch die Masse des Solarkollektors reduziert wird. Die hohe Abbesche Zahl von PMMA entspricht der von Kronenglas und ergibt somit einen sehr geringen Farbfehler, der die konzentrierende Wirkung ansonsten mindern würde. PMMA lässt sich im Kunststoffspritzgussverfahren in jede hier gerforderte geometrische Form herstellen. Eine Serienfertigung der Zylinderlinse 11 ist mit diesem Herstellungsverfahren möglich. Weitere, als Linsenmaterial einsetzbare Kunststoffe sind beispielsweise Cyclo-Olefin-Copolymerisat (COC) oder Cyclo-Olefin-Polymere (COP). Im Vergleich zu PMMA können diese Kunststoffe bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. Die bikonvexe Zylinderlinse 11 beschreibt im Querschnitt gesehen sonnenseitig einen Ellipsenbogen und absorberseitig einen Kreisbogen. Das Verhältnis der Längen der Nebenachse 3 zur Hauptachse 2 der Ellipse des sonnenseitigen Ellipsenbogens beträgt 0,632435. Der Kreisradius 4 des absorberseitigen Kreisbogens ist 8 mal so groß wie die Länge der Hauptachse 2 der Ellipse des sonnenseitigen Ellipsenbogens. Das Verhältnis der Dicke der Linse 5 zur Länge der Hauptachse 2 der Ellipse, die den sonnenseitigen Ellipsenbogen des Linsenquerschnitts bildet, beträgt 0,130435. In 2 ist die Zylinderlinse 11 im Querschnitt mit den beschriebenen Merkmalen dargestellt. Die Lichtstrahlen 9 werden durch die Zylinderlinse 11 mit einem sehr geringen Geometriefehler fokussiert. Die Einfallswinkel der Lichtstrahlen 9 sind in 2 mit 0°, 15° und 30° dargestellt. Auf Grund der Symmetrie kann die Zylinderlinse 11 damit in einen Bereich der Einfallswinkel von ±30° die Lichtstrahlen 9 sehr präzise fokussieren. Der Absorber 12 des Ausführungsbeispiels hat die Form eines gekrümmten Bleches in dem Wärmeträgerkanäle 16 integriert sind. Das Material des Absorberbleches 12 ist eine Aluminiumlegierung. Die hohe Wärmeleitfähigkeit, die geringe Dichte und die Möglichkeit einer Serienfertigung im Stranggussverfahren sind von großem Vorteil. Durch die Verwendung einer Aluminiumlegierung ist eine Langlebigkeit und anschließende Recycelbarkeit gegeben. Die sonnenseitige Fläche des Absorbers 12 wird im Querschitt durch einen Ellipsenbogen beschrieben. Das Verhältnis der Längen der Nebenachse 8 der Ellipse, die den sonnenseitigen Ellipsenbogen des Absorberquerschnitts bildet zur Hauptachse 2 der Ellipse, die den sonnenseitigen Ellipsenbogen des Linsenquerschnitts bildet, beträgt 0,285217. Im Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der Längen der Hauptachse 7 zur Nebenachse 8 der Ellipse, die den sonnenseitigen Ellipsenbogen des Absorberquerschnitts bildet 1,371951. Der Abstand des Scheitelpunktes des sonnenseitigen Ellipsenbogen des Absorbers 12 liegt im Brennpunkt 6 des Querschnittes der Zylinderlinse 11. Die Sonnenseite des Absorbers 12 ist selektiv beschichtet um einen hohen Absorptionsgrad der Sonnenstrahlung bei gleichzeitiger geringer Emmission von Wärmestrahlung sicher zu stellen. Durch die Vorgabe eines Parameters entsprechend 1, beispielsweise der Dicke 5 für die Linse 11 und der Berechnung der Brennweite der Linse 11 lassen sich alle anderen Parameter des optischen Systems bestimmen. Das theoretisch maximal mögliche Konzentrationsverhältnis des Ausführungsbeispiel ist 60. Die Längsstege 13 und die Endstege 17 sind ebene Bleche aus spiegelpoliertem Aluminium oder einem Kunststoff der durch Metallbeschichtung verspiegelt wurde. Diese Spiegelflächen haben einen sehr hohen Reflexionsgrad. Durch die eingesetzten Materialien kann die Masse klein gehalten werden. Die Wärmedämmung 14 besteht aus Polyurethan. Der Hohlraum zwischen den Bestandteilen Absorber 12, Längssteg 13, Endsteg 17 und dem Gehäuse 15 ist mit Polyurethan ausgeschäumt. Der Schutz des Hartschaums vor Überhitzung ist durch geeignete Maßnahmen sichergestellt. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Polyurethan und den eingeschlossenen Gasen bei gleichzeitig geringer Dichte und damit auch geringer Masse sind besonders vorteilhaft. Alternativ zum Polyurethan kann auch eine bindemittelarme Mineralwolle als Wärmedämmung 14 verwendet werden. Alle Bestandteile des Solarkollektors sind in einem Gehäuse 15 montiert, das aus einer Aluminiumlegierung besteht. Dieses Leichtbaumaterial ermöglicht hohe Festigkeiten bei gleichzeitig geringer Masse.
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In 2 ist der Querschnitt des Kollektors bei Einfallswinkeln der Sonnenstrahlen 9 von 0°, 15° und 30° dargestellt. Bei Einfallswinkeln bis ±30° bezüglich der Normalen zur Abdeckung 10 ist damit eine konzentrierende Wirkung der Sonnenstrahlen 9 für einen Winkelbereich von 60° bezüglich dieses Querschnitts möglich.
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In 3 ist der Querschnitt des Kollektors bei Einfallswinkeln der Sonnenstrahlen 9 von 40°, 50° und 60° bezüglich der Normalen zur Abdeckung 10 dargestellt. Bei Einfallswinkeln die größer als ±30° und kleiner gleich ±60° bezüglich der Normalen zur Abdeckung 10 sind, kommt es zu einer vollständiger Reflexion der Sonnenstrahlen 9 am Längssteg 13, jedoch ohne konzentrierende Wirkung. Ab Einfallswinkeln die größer als ±60° bezüglich der Normalen zur Abdeckung 10 sind kommt es zur Totalreflektion in der Zylinderlinse 11, so dass die Sonnenstrahlen 9 die Linse 11 nicht durchdringen können. Bezüglich des in den 2 und 3 dargestellten Querschitts ist die Sonnenstrahlung in einem Winkelbereich von 120° nutzbar, davon 60° mit konzentrierender Wirkung.
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In 4 ist ein Längsschnitt des Kollektors mit unter einem Winkel von 30° einfallenden Sonnenstrahlen 9 bezüglich der Normalen zur Abdeckung 10 dargestellt. Die Strahlen 9 werden direkt durch die Abdeckung 10 und die Zylinderlinse 11 transmittiert. Ein Teil der Sonnenstrahlen 9 trifft nicht direkt auf die selektive Beschichtung des Absorbers 12 sondern gelangt zunächst auf den spiegelden Endsteg 17 und wird dann von diesem auf den Absorber 12 reflektiert. Die konzentrierende Wirkung der Sonnenstrahlen 9 wie in 2 dargestellt und oben erläutert bleibt erhalten und wird im Längsschnitt nicht beeinträchtig.
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In 5 ist der Längsschnitt des Kollektors mit Sonnenstrahlen 9 bei einem Einfallswinkel mit vollständiger Reflexion der Strahlen 9 am Endsteg 17 dargestellt. Die Größe des Einfallswinkels, bei dem alle Sonnenstrahlen 9 über den Endsteg 17 reflektiert werden, hängt von den geometrischen Parametern des Kollektors ab. Die konzentrierende Wirkung der Sonnenstrahlen 9 bleibt auch hier erhalten.
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In den 2 und 4 sind die Wärmeträgerkanäle 16 der vorteilhaften Ausführungsform des konzentrierenden Solarkollektors im Quer- und Längsschnitt skizziert. Die Wärmeträgerkanäle 16 können an ihren Vor- und Rückläufen hydraulisch so verbunden werden, dass das Wärmeträgermedium die Wärmeträgerkanäle 16 parallel, seriell oder in einer Kombination aus beiden durchströmt. Die Verwendung von Ventilen an oder in den Wärmeträgerkanälen 16 ermöglicht ein temperaturabhängiges Öffnen und Schließen der Kanäle 16. Der Einsatz von Formgedächtnis- mit Rückstellelementen oder Thermobimetallen als Ventilbestandteile kann hierfür besonders vorteilhaft sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aperturblende der transparenten Abdeckung
- 2
- Hauptachse des sonnenseitigen Ellipsenbogens im Linsenquerschnitt
- 3
- Nebenachse des sonnenseitigen Ellipsenbogens im Linsenquerschnitt
- 4
- Radius des absorberseitigen Kreisbogens im Linsenquerschnitt
- 5
- Dicke der Linse
- 6
- Brennpunkt im Linsenquerschnitt
- 7
- Hauptachse des sonnenseitigen Ellipsenbogens im Absorberquerschnitt
- 8
- Nebenachse des sonnenseitigen Ellipsenbogens im Absorberquerschnitt
- 9
- Lichtstrahl
- 10
- Abdeckung
- 11
- Zylinderlinse
- 12
- Absorber
- 13
- Längssteg
- 14
- Wärmedämmung
- 15
- Gehäuse
- 16
- Wärmeträgerkanäle
- 17
- Endsteg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4116224 [0003, 0006]
- WO 2010/139460 A2 [0004, 0007]
- DE 102008025838 A1 [0005, 0008]
