DE19602457A1 - Doppelwannenspiegelkonzentrator - Google Patents

Description

Hochwertige Spiegel z. B. zur Konzentration von Sonnenlicht werden als Parabolspiegel ausgeführt. Diese können nicht mit z. B. auf dem Markt erhältlichen verspiegelten Kunst­ stoffbahnen hergestellt werden, wie es bei Wannenspiegeln möglich ist. Der im folgenden beschriebene Doppelwannenspie­ gelkonzentrator gestattet die Ausführung mit Wannenspiegeln bei gleicher Qualität des Brennflecks, wie sie ein Parabol­ spiegel liefert.

Der Doppelwannenspiegelkonzentrator - im folgenden auch kürzer mit Doppelwannenspiegel bezeichnet - besteht aus zwei wannenförmigen Spiegeln, die optisch in Serie geschaltet sind Der erste Spiegel (1) in Fig. 1, auf den die Sonnenstrahlen - in Fig. 1 bis 4 mit einem Pfeil gekennzeichnet - auftreffen, sorgt für die Konzentration der Sonnenstrahlen in einer Brennlinie F′ (Fig. 1). Dieser erste Spiegel wird im folgen­ den als großer Spiegel bezeichnet. Die von ihm reflektier­ ten Sonnenstrahlen sind in Fig. 1 bis 4 mit zwei Pfeilspit­ zen gekennzeichnet.

Senkrecht zu der Konzentration der Sonnenstrahlen durch den großen Spiegel (1) in Fig. 1 wirkt der zweite Spiegel (2) in Fig. 1 - im folgenden mit kleinem Spiegel bezeichnet. Er nimmt die vom großen Spiegel reflektierten Sonnenstrahlen, die in parallelen Flächen zur Zeichenebene liegen, auf, bevor sie die Brennlinie F′ erreichen, und konzentriert sie in ei­ ner kleineren Brennlinie oder in einem Brennpunkt bei F.

Die Herstellung eines Brennpunktes F aus der Brennlinie F′ kann man sich in zwei Schritten vorstellen. Zuerst stellt man sich den kleinen Spiegel als ebenen Spiegel vor. Dann wird die Brennlinie F′ wieder als Brennlinie, die durch den Punkt F geht, abgebildet. Formt man den ebenen Spiegel zu einem Wan­ nenspiegel mit Parabelquerschnitt (Ansicht A in Fig. 1, 3, 4) um, dessen Brennweite gleich dem Abstand der Brennlinie vom ebenen Spiegel ist, so schmilzt die Brennlinie zu dem Brenn­ punkt F zusammen. Der Querschnitt des kleinen Spiegels muß eine Parabel sein, weil die auf ihn treffenden einfal­ lenden Strahlen, die ja die vom großen Spiegel reflektier­ ten Sonnenstrahlen sind, in parallelen Flächen zur Zeichen­ ebene liegen.

Bei der beschriebenen Spiegelkonstruktion nimmt man na­ türlich eine gewisse zusätzliche Abschwächung der reflek­ tierten Leistung durch die zweite Spiegelung gegenüber ei­ nem Parabolspiegel in Kauf.

In Fig. 1, 3 und 4 ist eine Konzentration durch den klei­ nen Spiegel in einem Brennpunkt F zu Grunde gelegt. Die von dem kleinen Spiegel reflektierten Strahlen sind in Fig. 1 bis 4 mit drei Pfeilspitzen gekennzeichnet. Auch die von Spiegelteilen verdeckten Strahlen sind durchgezogen. Die ge­ strichelten Strahlen würden mit dem großen Spiegel allein auftreten.

Damit die vom großen Spiegel reflektierten Strahlenbün­ del in Flächen parallel zur Zeichenebene liegen, müssen die Kurven des großen Spiegels in diesen Flächen Ausschnitte aus Ellipsen sein, deren große Achsen mit den beiden Brenn­ punkten auf der z-Achse des in Fig. 1 und 2 mitgezeichneten räumlichen Koordinatensystems x-y-z liegen. Dabei setzt sich die zur x-Achse parallel verlaufende Brennlinie F′ aus den unteren Brennpunkten der Ellipsen zusammen. Die Lage des Ko­ ordinatensystems ist so definiert, daß die mittlere Ellip­ se (8) in Fig. 1 in der y-z-Ebene liegt und ihr Scheitel mit dem Ursprungspunkt 0 zusammenfällt. Die z-Achse verläuft pa­ rallel zu den in der y-z-Ebene und parallel zu ihr liegen­ den Flächen befindlichen Projektionen der einfallenden Son­ nenstrahlen. Der zwischen beiden letzteren bestehende Win­ kel α (Fig. 2) bestimmt die numerische Exzentrizität e = cosα aller Ellipsen. Die Scheitelbrennweite - gleich Abstand Brenn­ linie F′ zum Scheitel - ändert sich linear über die Breite des Doppelwannenspiegels, d. h. in Richtung der x-Achse und zwar dadurch, daß die Scheitel der Ellipsen auf der um den Winkel α/2 angehobene Linie (10) in Fig. 2 liegen.

Parabelförmige Wannenspiegel sind bekannt und werden vielfältig benutzt. Die Wanneneigenschaft der Spiegel beruht darauf, daß die Linien konstanter Steigung Geraden sind, wie das die parallelen Linien (9) in Fig. 1 für den kleinen Spie­ gel zeigen. Bei dem großen Spiegel (Fig. 1 und 2) sind die Linien konstanter Steigung (6) schrägliegende Geraden. D. h. auch der große Spiegel ist wannenförmig. Beide Spiegel kön­ nen deshalb z. B. mit einem in sich steifen aber etwas bieg­ samen verspiegelten Kunststoff hergestellt werden, wie er auf dem Markt angeboten wird. Das ergibt auf relativ preis­ werte Weise eine hohe Genauigkeit der optischen Eigenschaf­ ten und man braucht nicht, wie z. B. in DE 35 29 945 A1 be­ schrieben, einen rotationssymmetrischen Spiegel durch viele ebene Spiegel ersetzen, deren Größe durch die gewünschte Brennfläche begrenzt wird.

Der Absorber z. B. ein Kochtopf sitzt bei den Dimensio­ nierungen nach Fig. 1 bis 4 über dem kleinen Spiegel, der keine direkte Sonnenstrahlung aufnimmt. Daher geht keine Fläche des großen Spiegels durch Schattenbildung verloren. Außerdem ist der Absorber bzw. der Kochtopf leicht erreich­ bar.

Für den Vergleich mit Patentschriften, die sich mit dem Thema Doppelwannenspiegelkonzentrator befassen, seien die grundlegenden Eigenschaften des Doppelwannenspiegels dieser Anmeldung im folgenden zusammengefaßt.

Der in der Anmeldung beschriebene Doppelwannenspiegel kann bei entsprechender Dimensionierung parallel einfallen­ de Strahlen nach Reflexion im Sinne der geometrischen Optik in einem einzigen Punkt dem Brennpunkt vereinigen. Das gilt auch für große Bündelweiten der reflektierten Strahlen. Z. B. beträgt in Fig. 3 die Bündelweite in Richtung der x-Achse ca. 115° und in Richtung der y-Achse ca. 38°. Dabei steht eine große Auswahl von Dimensionierungsmöglichkeiten offen. Das hängt damit zusammen, daß im Gegensatz zu den im folgenden diskutierten Patentschriften, bei denen die Mitte der ein­ fallenden sowie reflektierten Strahlen in einer Ebene lie­ gen, dieses bei dem vorgeschlagenen Doppelwannenspiegel ab­ gesehen von einem Grenzfall (Fig. 4) im allgemeinen nicht der Fall ist. D. h. die Ebenen für die Mitte der einfallenden so­ wie die Mitte der reflektierten Strahlen können einen Win­ kel zueinander bilden. Das führt für den ersten oder großen Spiegel zu einer Form, die Ausschnitten von Ellipsen ent­ spricht, deren Scheitelbrennweite von der Breite des Spie­ gels (Fig. 2) abhängig ist. Die Linien konstanter Steigung sind jetzt Geraden, die im allgemeinen schräg zueinander liegen. Die im folgenden erwähnten Patentschriften kennen nur Wannenspiegel, bei denen die Linien konstanter Steigung parallele Geraden sind.

Es ist eine weitere Dimensionierungsmöglichkeit noch da­ durch gegeben, daß man den kleinen Spiegel in Fig. 1 bis 4 seitlich verschieben kann, wie besonders gut aus Ansicht A zu erkennen ist. Da der Brennpunkt F der Parabel über ihrer Symmetrieachse liegt, wird er auch mit ihr verschoben. Natür­ lich ändert sich dann auch die Durchdringungslinie (5).

Die Anforderungen an die Herstellgenauigkeit der ange­ meldeten Spiegelanordnung sind vergleichsweise gering, weil die beiden Wannenspiegel nicht weit auseinanderliegen, son­ dern im Gegenteil aneinander stoßen, wodurch sich die oben erwähnte Durchdringungslinie (5) in Fig. 1 bis 4 ergibt. Dabei ist der Brennpunkt der Anordnung leicht für einen Absorber zugänglich.

In keiner anderen Patentschrift wird mit so einfachen Mitteln bei den erwähnten günstigen Randbedingungen die hohe optische Genauigkeit der vorliegenden Anmeldung erreicht.

Dem der Anmeldung zu Grunde liegende Gedanke kommt - aller­ dings mit erheblichen Unterschieden - die Patentschrift US 44 39 020 nahe. Hier wird in Fig. 1 eine Doppelspiegelan­ ordnung beschrieben, bei der der erste oder große Wannen­ spiegel (1) eine Brennlinie der senkrecht einfallenden Son­ nenstrahlen noch vor Erreichen des kleinen Spiegels (3) be­ wirkt. Damit ist eine direkte Erzeugung eines einzigen Brenn­ punktes von großem (1) und kleinem Spiegel (3) gemeinsam nicht mehr möglich. In der Erfindung wird nun eine Zylinderlinse eingeschaltet, die aus den am großen Spiegel (1) reflektierten Strahlen Parallelstrahlen von sehr geringem Querschnitt macht, wodurch der kleine Spiegel entsprechend schmal wird und nur einen kleinen Schatten auf den großen Spiegel wirft. Der kleine Spiegel auch in Parabelform macht aus dem schmalen Pa­ rallelstrahl eine kurze Brennlinie senkrecht zur ersten Brenn­ linie. Die kurze Brennlinie liegt jetzt zwischen den beiden Wannenspiegeln und ist deshalb für einen Absorber nicht gut erreichbar. Daher wieder Anwendung einer Zylinderlinse, die allerdings sehr kurz ist und einen Parallelstrahl sehr klei­ nen Querschnitts erzeugt. Dieser wird durch ein relativ auf­ wendiges System von optischen Hilfen an die gewünschte Stel­ le geführt. Dabei sind die optischen Hilfen, die aus mehreren Spiegeln bestehen, sowie die beiden Zylinderlinsen eine ge­ wisse Schwäche der ganzen Anordnung, denn sie führen zu einem erheblichen Verlust an Strahlungsenergie.

In der Patentschrift GB 941 813 ist das Problem der schlech­ ten Zugänglichkeit des Brennpunktes für den Absorber dadurch gelöst, daß in Fig. 1 das Sonnenlicht schräg auf den ersten oder großen Spiegel (2) mit Parabelquerschnitt fällt. Das führt nach Reflexion am großen Spiegel (2) allein erst zu einer Brennlinie, die allerdings nicht senkrecht auf den re­ flektierten Strahlen steht. Damit gelingt es nach Einfügung des kleinen Spiegels mit Parabelquerschnitt nicht mehr, die reflektierten Strahlen in einem Punkt zu vereinigen.

In den Patentschriften US 44 84 334 bzw. EP 00 80 597 so­ wie JP-A2 60-60618 (A) und FR 26 30 832 werden nur Wannenspie­ gel verwendet, die Ausschnitte aus Zylindern sind. Das ist für reflektierte schlanke Lichtbündel ausreichend.

Bei Anwendung des Doppelwannenspiegels zur Konzentration von Sonnenlicht, muß er der Sonne zweiachsig nachgeführt wer­ den. In Fig. 1 bis 4 ist der Doppelwannenspiegel so dimensi­ oniert, daß das reflektierte Sonnenlicht von unten auf den Absorber strahlt, wenn das Sonnenlicht unter einer bestimm­ ten Höhe von Süden einfällt.

Wegen der endlichen Größe der Absorber sind die Anforder­ ungen an die Spiegelgenauigkeit - natürlich bei Verzicht auf sehr hohe Temperaturen - nicht sehr groß. Allerdings hat eine mit einfachen Mitteln prinzipiell sehr hohe erreichbare Spie­ gelgenauigkeit, wie sie die vorliegende Anmeldung enthält, den Vorteil, daß man einen größeren Teil der Ungenauigkeit des Gesamtsystems in die Nachführung legen kann, wodurch diese einfacher wird.

Für den beschriebenen Doppelwannenspiegel wird als Er­ stes eine Nachführung um eine Achse parallel zur Erdachse vorgeschlagen. Sie ist täglich notwendig und erfolgt am bes­ ten automatisch oder mit zeitgesteuertem Motor. Bei einem ortsfestem Absorber muß die Verlängerung der Nachführungs­ achse etwa durch den Brennpunkt der Anordnung gehen. Eine zweite zu dieser Erdachsparallele senkrechte Achse, deren Verlängerung auch etwa durch den Brennpunkt gehen müßte, würde für die Höheneinstellung im Bereich von ± 23.5° sor­ gen. Allerdings wird eine solche Konstruktion sehr sperrig und begrenzt den Nachführungsbereich.

Nun ist in der Patentschrift DE 36 11 375 C2 ein Parabol­ spiegel in einer Kugelschale untergebracht, die auf einem Ring beweglich sitzt. Hier liegt also eine Nachführung ohne störende Achsen vor. Dieser Grundgedanke wird hier erfin­ dungsgemäß weiterentwickelt und nur auf die Höheneinstel­ lung angewendet, wobei ihr kleiner Nachführungsbereich von max. ± 23.5° ausgenutzt wird.

In einfachster Ausführung besteht die Konstruktion dafür nach Fig. 5 aus einem teilkreisförmigen Bogen, dessen Mittel­ punkt der virtuellen Achse entspricht. Der Bogen (2) wird in Fig. 5 um die Erdachsparallele (1) herumgeführt. In dem Doppel­ wannenspiegel (3) sind drei Achsen befestigt. Zwei davon näm­ lich (8) und (9) laufen frei am oberen Rand des Teilkreis­ bogen. Die untere Achse sorgt für die Höheneinstellung. Der Antrieb kann über Reibung oder eine formschlüssige Verbin­ dung z. B. Zahnrad und Zahnkranz erfolgen. Natürlich kann die Anbringung des Teilkreisbogens einerseits und der Achsen andererseits auch vertauscht werden. D. h. die Anordnung mit den Achsen dreht sich um die Erdachsparallele und der Teil­ kreisbogen ist fest mit dem Doppelwannenspiegel verbunden.

Auch den Teilkreisbogen kann man anders ausbilden und zwar als Schablone mit teilkreisförmigen Ausschnitt, wie Fig. 6 zeigt, auf die sich sinngemäß die Ausführungen von Fig. 5 anwenden lassen. In Fig. 5 und 6 ist die seitliche Füh­ rung des Doppelwannenspiegels der Übersichtlichkeit halber fortgelassen.

An dieser Stelle sei noch ein weiterer Vorteil des Dop­ pelwannenspiegels erwähnt. Die Winkel des reflektierten Strah­ lenbündels lassen sich leicht so dimensionieren, daß es z. B. in Richtung des Tageslaufs der Sonne d. h. einem großem Nach­ führungsbereich relativ schlank ist und für die Höhenein­ stellung also einem kleinen Nachführungsbereich relativ breit sein kann, was interessant für ebene Absorberflächen ist. Das gilt besonders für die Dimensionierung nach Fig. 3.

In Fig. 1 bis 4 ist der kleine Spiegel genauso breit wie der große Spiegel. Um die Ungenauigkeiten des großen Spie­ gels oder eine Fehleinstellung des Doppelwannenspiegels vor allen Dingen nach der Höhe in Fig. 3 oder im Tageslauf in Fig. 4 zu berücksichtigen, ist es zweckmäßig den kleinen Spiegel breiter als den großen Spiegel zu machen bzw. in etwa trapezförmig zu gestalten.

Fig. 1 und 2:

• (1) bezeichnet den großen Spiegel. Er hat die Aufgabe die aus einer bestimmten Richtung einfallenden mit einer Pfeilspitze bezeichneten Sonnenstrahlen in zur Zeichen­ ebene parallel liegenden Flächen zu reflektieren. Dabei sollen sich die mit zwei Pfeilspitzen bezeichneten re­ flektierten Strahlen in der Brennlinie F′ vereinigen. Zur Erfüllung dieser Aufgabe setzt sich der große Spiegel aus in den oben erwähnten Flächen befindlichen Ausschnit­ ten von Ellipsen zusammen, deren große Achsen in der x-z-Ebene parallel zur z-Achse liegen. Die Brennlinie F′ ist aus den unteren Brennpunkten der Ellipsen zusammen­ gesetzt. Ihre Scheitel liegen auf der Geraden (10) in Fig. 2, die um α/2 ansteigt. Auch die von Spiegelteilen verdeckten Strahlen sind durchgezogen. Die gestrichelten Strahlen würden mit dem großen Spiegel allein auftreten.
• (2) bezeichnet den kleinen Spiegel. Er sorgt dafür, daß die vom großen Spiegel reflektierten parallel liegenden Strahlenbündel vorm Erreichen der Brennlinie F′ im Brenn­ punkt F vereinigt werden. Die vom Kleinen Spiegel reflek­ tierten Strahlen sind mit drei Pfeilspitzen gekennzeich­ net. Auch hier sind die von Spiegelteilen verdeckten Strahlen durchgezogen. Ansicht A zeigt den Querschnitt des kleinen Spiegels, der für hohe Genauigkeit eine Para­ belform haben muß.
• (3) ist die untere Ellipse und
• (4) die obere Ellipse des großen Spiegels. Beide Ellipsen stellen in der vorliegenden Dimensionierung auch die un­ tere und obere Grenze des großen Spiegels dar, wie die Draufsicht zeigt.
• (5) ist die Durchdringungslinie von großem und kleinem Spiegel.
• (6) sind Linien konstanter Steigung des großen Spiegels.
  Die äußerste linke Linie in Fig. 1 ist gleichzeitig in diesem Dimensionierungsbeispiel die vierte Begrenzungs­ linie des großen Spiegels.
• (7) Diese Linie liegt parallel zum Erdboden.
• (8) ist die mittlere Ellipse zwischen unterer und oberer Ellipse. Sie ist gestrichelt eingezeichnet. Ihre Verlänge­ rung geht durch den Nullpunkt des mitgezeichneten Koor­ dinatensystems mit der z-Achse als Ordinate und der y-Achse als Abszisse, die beide parallel zur Zeichenebene liegen.
• (9) sind Linien gleicher Steigung beim kleinen Spiegel.
• (10) bezeichnet die Gerade in Fig. 2 mit dem Steigungswin­ kel α/2, auf der die Scheitel der Ellipsen des großen Spiegels liegen.
• (11) ist der Sonnenstrahl, der die reflektierten Strahlen in der Mitte der Strahlenbündel verursacht.

Fig. 3 ist eine andere Dimensionierung des Doppelwannenspie­ gels. Hier fallen die Projektionen der Sonnenstrahlen in der Zeichenebene senkrecht von oben ein. Sonst gilt sinngemäß das Gleiche wie in Fig. 1.

Fig. 4 Hier ist der Doppelwannenspiegel für Sonnenstrahlen, die in der Zeichenebene liegen, dimensioniert. Der große Spiegel ist jetzt eine Parabel. Sonst gilt wieder sinn­ gemäß das Gleiche wie in Fig. 1.

Fig. 5 zeigt in vereinfachter Form die Konstruktion der Nachführung nach der Sonnenhöhe auch kurz mit Höhennach­ führung oder Höheneinstellung bezeichnet.

• (1) Die Erdachsparallele, um die die Nachführung während des Tageslaufs der Sonne erfolgt.
• (2) Der um die Erdachsparallele herumgeführte Teilkreis­ bogen.
• (3) Der Doppelwannenspiegel.
• (4) Der max. Verstellwinkel.
• (5) Der Winkel, der dem Breitengrad entspricht.
• (6) Der Drehpunkt, durch den die virtuelle Nachführungs­ achse für die Höheneinstellung geht. Sie verläuft bei ortsfestem Absorber etwa durch den Brennpunkt des Dop­ pelwannenspiegels.
• (7) Gerade parallel zum Erdboden.
• (8) und (9) In dem Doppelwannenspiegel sitzende freilau­ fende Achsen. Die obere Grenze des Teilkreisbogens (2) nimmt vermittels der beiden Achsen das Gewicht des Dop­ pelwannenspiegels auf. Die gestrichelten Kreise deuten die Extremstellungen der Achsen an.
• (10) Achse, die die Mitführung des Doppelwannenspiegels über Reibung o. ä. besorgt.

Fig. 6 Hier ist gegenüber Fig. 5 der Teilkreisbogen durch eine Schablone (2) mit einem teilkreisförmigen Ausschnitt ersetzt. Die übrigen Ziffern haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 5.

Für die Patentfähigkeit in Betracht zu ziehende Druck­ schriften:
US 44 39 020
GB 09 41 813
US 44 84 334
EP 00 80 597
JP-A2 60-60 618 (A)
FR 26 30 832
DE 36 11 375 C2
DE 37 37 631 C1
DE 30 36 310 A1
US 51 95 503
US 40 15 585
DE 26 33 030 A1

Claims (6)

1. Doppelwannenspiegelkonzentrator für annähernd parallel einfallende Strahlen z. B. Sonnenstrahlen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß gemäß Fig. 1 zwei Spiegel (1) und (2) optisch in Serie geschaltet sind, wobei der erste oder große Spie­ gel (1) die reflektierten Strahlen in einer Brennlinie F′ vereinigt und der zweite oder kleine Spiegel (2) senkrecht zur Konzentratorwirkung des großen Spiegels (1) dafür sorgt, daß die vom großen Spiegel (1) reflektierten Strahlen vor Erreichen der Brennlinie F′ in einer zweiten kleineren Brennlinie oder in einem Brennpunkt konzentriert werden.

2. Doppelwannenspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des als parabelförmige Wanne gestal­ teten kleinen Spiegels (2) dem Abstand der vom großen Spie­ gel (1) erzeugten Brennlinie F′ vom Scheitel des kleinen Spiegels (2) wie in Fig. 1, 3 oder 4 entspricht.

3. Doppelwannenspiegel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der kleine Spiegel (2) mit variabler Breite ausgeführt ist, vorzugsweise nach außen breiter oder auch einfach mit größerer Breite als der große Spiegel (1).

4. Doppelwannenspiegel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Doppelwannenspiegel angebrachte Ach­ sen entweder an den Grenzen eines teilkreisförmigen Bo­ gens (2) in Fig. 5 oder in einem teilkreisförmigen Ausschnitt einer Schablone (2) in Fig. 6 laufen, wobei mindestens eine Achse zur Höheneinstellung nach der Sonne dient und wobei der Bogen (2) in Fig. 5 oder die Schablone (2) in Fig. 6 um die Erdachsparallele drehbar angeordnet ist.

5. Doppelwannenspiegel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Achsen nach Anspruch 4 in einem Aufbau, der mit der Erdachsparallele verbunden und um sie dreh­ bar angeordnet ist, angebracht sind sowie der kreisförmige Bogen oder die Schablone mit einem teilkreisförmigen Aus­ schnitt mit dem Doppelwannenspiegel verbunden ist.

6. Die Achse bzw. die Achsen, die nach Anspruch 4 zum Antrieb der Höheneinstellung dient bzw. dienen, dadurch gekennzeich­ net, daß der Antrieb über sie entweder durch Reibung oder durch eine formschlüssige Ausgestaltung wie Zahnrad und Zahnkranz an einer teilkreisförmigen Bogengrenze oder Schablonengrenze erfolgt.