DE2448121C2

DE2448121C2 - Sonnenofen

Info

Publication number: DE2448121C2
Application number: DE19742448121
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Birkle, Siegfried, Gosford, Neusüdwales (Australien)
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1976-08-26
Also published as: DE2448121B1; BR7504015A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sonnenofen mit einer gewölbten, reflektierenden Oberfläche und einem flüssigkeitsführenden Rohr, das durch einen oder mehrere Brennpunkte der gewölbten Oberfläche verläuft.

Derartige Sonnenöfen sind bereits bekannt, wobei jedoch bisher davon ausgegangen wurde, daß der Sonnenoten mit seiner reflektierenden Oberfläche der Sonnenbewegung zu folgen hat, um ein optimales Einfangen und Ausnutzen der Sonnenstrahlen zu gewährleisten. Hierzu ist jedoch eine sehr kostspielige und aufwendige Einrichtung notwendig, da beträchtliche Massen andauernd bewegt werden müssen, zumal Sonnenöfen Durchmesser in der Größenordnung von 50 m zweckmäßigerweise aufweisen sollten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenofen zu schaffen, bei dem die Einrichtungen zum Folgen des Sonnenlaufs beträchtlich vereinfacht und verbilligt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine feststehende Hohlkugel, die in drei horizontale Abschnitte mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften eingeteilt ist, wobei der obere Abschnitt offen oder lichtdurchlässig, der mittlere Abschnitt, der etwa zwei Drittel der Hohlkugel ausmacht, von außen durchlässig verspiegelt und der untere Abschnitt innenverspiegelt ist, während das Rohr im mittleren Teil halbkreisförmig gebogen und um die Achse der Hohlkugel drehbar ist.

Hierbei ist es zweckmäßig, das Rohr in Nordsüdrichtung anzuordnen, wobei es entsprechend dem Sonnentageslauf von einer westlichen Endstellung in eine östliehe schwenkbar ist.

Durch die Einteilung der Kugel in drei Abschnitte mit den unterschiedlichen optischen Eigenschaften wird erreicht, daß das auf die Kugel fallende Sonnenlicht immer in diese eindringt, da der bestrahlte Teil der ^fi5 Kugel wenigstens von außen lichtdurchlässig ist. Die eingedrungenen Sonnenstrahlen werden dann durch den in der Kugel gebildeten Hohlspiegel (bis auf die Berücksichtigung der sphärischen Aberration) im

Brennpunkt des Spiegels gesammelt. Der Brennpunkt des Spiegels wandert dabei im Schnitt gesehen auf einem Halbkreis, dementsprechend ist daher das flüssigkeitsführende Rohr halbkreisförmig derart angeordnet, daß der Brennpunkt immer auf dieses Rohr fällt. Dadurch ist es lediglich erforderlich, das Rohr entsprechend dem Sonnentageslauf zu schwenken, so daß die Hohlkugel feststehen kann.

Um auch diejenigen Strahlen ausnützen zu können, die der sphärischer Aberration unterliegen, kann es zweckmäßig sein, wenn das Rohr in der Hohlkugel mehrere, mit Abstand zueinander angeordnete, bogenförmige Teile aufweist, die konzentrisch zur Hohlkugel gebogen sein können. Hierbei weist der innerste gebogene Teil des Rchrs vorzugsweise einen Krümmungsradius auf, der gleich dem halben Kugelradius ist, so daß der Brennpunkt des Spiegels immer auf diesen innersten gebogenen Teil fällt

Das Rohr kann mit innen angeordneten längsverlaufenden Rippen versehen sein, die sowohl zur Verstärkung als auch zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche dienen.

Dampfdruckseitig werden die gebogenen Teile des Rohrs vorzugsweise mit Dampfdruckventilen versehen, damit in dem Fall, indem die auf weitere Rohrteile, die >-, nicht durch den Brennpunkt verlaufen, auffallenden Strahlen keine genügende Energie abgeben, vermieden wird, daß nicht verdampfte Flüssigkeit dampfdruckseitig abgeführt wird.

Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen, in der Hohlkugel einen nicht reflektierenden Schattenring von der horizontalen Achse der Hohlkugel bis zum spiegelnden Abschnitt reichend beweglich anzuordnen, der entsprechend der Innenfläche der Hohlkugel ausgebildet ist. Dieser Schattenring dient dazu zu vermeiden, daß in Folge der sphärischen Aberration auf der Hohlkugel Sonnenstrahlen brennpunktartig gebündelt werden, so daß Schäden an der Spiegeloberfläche vermieden werden. Der Schattenring wird zweckmäßigerweise mit dem flüssigkeitsführenden Rohr oder einer entsprechenden Anordnung verbunden, so daß er der Bewegung der Sonne während des Tages folgt. Auch ist dieser Schattenring entsprechend der monatlichen Änderung der Sonne zu verstellen, wozu ein Zahntrieb vorgesehen werden kann, der eine Zahnleiste aufweisen kann, die an dem Rohr gelagert ist und sich vertikal an der Innenfläche der Hohlkugel erstreckt.

Da die Hohlkugel aus dünnem Glas, Plexiglas od. dgl gebildet wird, treten Vielstrahlinterferenzen zum Rand des Kugelquerschnitts in Einstrahlrichtung gesehen auf. Um auch diejenige Energie nutzen zu können, die als Interferenzring auf den Schattenring fällt, kann dieser an der entsprechenden Stelle mit einem reflektierenden Ring versehen sein, der die Strahlen des Interferenzrings auf einen bestimmton Punkt reflektiert, der insbesondere einen Brennpunkt des reflektierenden Rings darstellt, wobei sich dieser Punkt auf einem der gebogenen Teile des flüssigkeitsführenden Rohrs befindet. Hierdurch geht die Energie eines derartigen hellen Interferenzringes nicht verloren.

Über dem flüssigkeitsführenden Rohr kann eine die einfallenden Sonnenstrahlen auf dessen (inneren) gebogenen Teil fokussierende Linse angeordnet sein, die als kuppelartiger Strahlenbündler ausgebildet sein kann. Hierdurch wird erreicht, daß auch Strahlen, die weiter <\s von der Kugelachse entfernt einfallen, bezüglich ihrer sphärischen Aberration korrigiert und somit im Brennpunkt des Hohlspiegels gesammelt werden. Hierdurch

wird eine höhere Energiekonzentration im Brennpunkt erreicht Die Linse ist hierbei zweckmäßigerweise mit dem Schattenring mitbeweglich. Auch ist es möglich, die obere Hälfte der Hohlkugel wenigstens im oberen Bereich als sphärische Linse auszubilden, um eine entsprechende Wirkung zu erzielen.

Die Hohlkugel wird zweckmäßigerweise durch ein funktionsbedingt ausgefachtes Skelett gebildet, das beispielsweise aus Aluminium besteht, während die Ausfachung zumindest in dem mittleren Bereich und gegebenenfalls im oberen Bereich (falls dieser nicht offen ist) durch Glas, Plexiglas od. dgl. vorgenommen wird. Der mittlere Bereich wird hierbei zweckmäßigerweise zweiseitig verspiegelt, wobei die äußere Verspiegelung schwach ist. Um einen Druckaufbau im Innern der Hohlkugel auf Grund der Erwärmung der darin befindlichen Luft zu vermeiden, sind entsprechende öffnungen, beispielsweise an den Eintrittsöffnungen für das flüssigkeitsfiihrende Rohr oder im oberen Teil der Kugel vorzusehen. Das Rohr selbst ist insbesondere an den gebogenen Teilen aus hochwärmebeständigem Material, beispielsweise aus Keramik oder entsprechenden Legierungen herzustellen, so daß sie die eingestrahlte Wärme ohne Beschädigung aushalten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 zeigt zwei Ausführungsformen eines Sonnenofens entsprechend der rechten Seite A und der linken Seite B dieser Abbildung;

F i g. 2 zeigt schematisch den Strahlengang bei einer Ausführungsform gemäß F i g. 1B.

Der in F i g. 1A dargestellte Sonnenofen besteht aus einem konstruktiven, kugelförmigen Skelett 1 beispielsweise aus Aluminium, das funktionsbedingt ausgefacht ist und auf einem Fuß 2 lagen. Ferner sind zum Stützen der Konstruktion Beine 3 vorgesehen. Die Hohlkugel ist in drei horizontale Abschnitte 4, 5, 6 eingeteilt, wobei der obere Abschnitt 4 entweder offen oder lichtdurchlässig ist, d. h. aus einer Glaskugel, die von dem Skelett 1 getragen wird, gebildet wird. Der mittlere Abschnitt 5, der etwa zwei Drittel der Hohlkugel ausmacht, ist von außen durchlässig verspiegelt, so daß zwar Lichtstrahlen von außen durch diesen Abschnitt 5 in die Hohlkugel eindringen können, jedoch von innen auf diesen Abschnitt 5 auftrefende Strahlen nicht nach außen durchgelassen, sondern reflektiert werden. Der untere Abschnitt 6 ist dagegen nur innenverspiegeit. (Das konstruktive Skelett ist hierbei nur angedeutet.)

Längs der horizontalen Achse der Kugel ist ein Rohr 7 in diese hinein und an der anderen Seite wieder herausgeführt. Im mittleren Teil weist das Rohr 7 einen halbkreisförmig gebogenen Teil Ta auf, dessen Durchmesser gleich dem halben Kugeldurchmesser ist. An Stelle eines gebogenen Rohrteils 7a können auch zwei oder mehrere gebogene Rohrteile 7o, Tb, Tc vorgesehen sein, wie in F i g. 1B und 2 dargestellt ist. In Richtung des Pfeils 8 wird Wasser in das Rohr 7 eingeführt, das am anderen Ende des Rohrs als Wasserdampf beirpielsweise zum Speisen einer Turbine od. dgl. abgeführt wird. Das Rohr 7 ist hierbei in Nord-Süd-Richtung angeordnet und entsprechend dem Sonnentageslauf gemäß dem Pfeil 9 von einer westlichen Endstellung Ta über eine Stellung T"a und die dargestellte Stellung Ta des halbkreisförmig gebogenen mittleren Teils in eine östliche Endstellung mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung schwenkbar. Nach Sonnenuntergang wird der gebogene Teil Ta des Rohres 7 wie-

ι.s

²⁰

der in seine westliche Ausgangsstellung Ta zurückgebracht. Auf diese Weise wird der Tageslauf der Sonne berücksichtigt, während die monatliche Änderung des Sonnenstandes durch die halbkreisförmige Ausbildung des gebogenen Teils Ta des Rohres 7 berücksichtigt wird.

Die in F i g. 1B dargestellte Ausführungsform stimmt insoweit mit der in Fig. IA dargestellten überein, besitzt jedoch weitere Zusatzeinrichtungen. Insbesondere ist ein Schattenring 10 vorgesehen, der sich von der horizontalen Achse der Kugel bis zum unteren spiegelnden Abschnitt 6 erstreckt. Dieser Schattenring besteht aus einem lichtabsorbierenden Material, das insbesondere flexibel ist, so daß es sich ohne weiteres an das Kugelinnere anpaßt. Hierzu kann ein hitzebeständiges, segeltuchartiges Material verwendet werden. Der Schattenring 10 ist an dem Rohr 7 oder einer dieses umfassenden Hülse mit dem Rohr 7 in Richtung des Pfeils 9 mitbewegbar angeordnet Ferner ist der Schattenring 10 gegenüber dem Rohr 7 mittels eines Zahntriebs verstellbar, wobei der Zahntrieb aus einer Getriebewelle 12 besteht, die in die Kugel hineinführt und durch die ein Zahnrad 13 angetrieben wird, das mit einer Zahnleiste 14 in Eingriff steht, die entsprechend der Kug°lwandung gebogen ist Im Bereich des Rohrs 7 ist hierzu im Schattenring 10 ein Schlitz anzuordnen, der an beiden Seiten mit einer Führung versehen sein kann, um zu gewährleisten, daß das Rohr 7 zum Mildrehen des Schattenrings mit diesem zusammenwirkt. Zum Abdecken dieses Schlitzes an beiden Seiten des Schattenrings kann eine bewegliche Lasche od. dgl. aus dem Material des Schattenrings vorgesehen werden. Auf diese Weise ist der Schattenring entsprechend der jeweiligen Jahreszeit einstellbar.

Auf dem Schattenring 10 kann ein Reflektorring 17 angeordnet werden, der auf diesen fallende Sonnenstrahlen auf einen der gebogenen Teile 7a, Tb oder Tc des Rohrs 7 derart reflektiert, daß diese Strahlen auf den am meisten bestrahlten Teil des entsprechenden gebogenen Rohrteils fallen. Hierzu kann der Reflektorring 17 hohlspiegelartig ausgebildet sein.

Im oberen Teil der Halbkugel kann eine fokussierende Linse 15 angeordnet sein, die über Stützarme 16 mit dem Schattenring 17 mitbeweglich abgestützt ist. Diese Linse J 5 kann kuppelartig ausgebildet sein. Durch die Abstützung an dem Schattenring 10 wird die Linse 15 entsprechend dem Sonnentageslauf und entsprechend dem jahreszeitlichen Lauf der Sonne mitgeführt.

Fig.2 stellt den Strahlenverlauf schematisch bei einem Sonnenofen gemäß F i g. IB dar. Von der Sonne 5^C kommende Paralielstrahlen 20 treffen auf die Hohlkugel und gehen im wesentlichen als Paralielstrahlen durch die Kugelwandung hindurch. Die paraxialen Strahlen 21 in der Nähe der Achse in der Hohlkugel

3°

35

40 werden im Brennpunkt des durch den unteren innen verspiegelten Abschnitt 6 und gegebenenfalls durcl den mittleren durchlässig verspiegelten Abschnitt 5 ge bildeten Spiegel gesammelt, wobei dieser Brennpunk auf dem inneren gebogenen Teil 7a des Rohrs 7 lieg) Diese paraxialen Strahlen gehen auch im wesentlicher ohne Beeinflussung durch die Linse 15 hindurch. Weitei außenlicgende Strahlen 22 werden durch die Linse If leicht zjur Achse der Hohlkugel hin abgelenkt, so dat auch diese in den Brennpunkt reflektiert werden, wohingegen sie ohne die Linse 15 infolge der sphärischer Aberration nicht mehr im Brennpunkt mit den paraxialen Strahlen 21 zusammentreffen würden. Allerdings isl es auch möglich, die Linse 15 derart auszubilden, daC ihr Brennpunkt auf dem gebogenen Rohrteil Ta liegt, so daß die durch sie hindurchgehenden Strahlen sofort auf das Rohrteil 7a gebündelt werden. Für die weiter außenliegenden Strahlen wird die sphärische Aberration immer größer, wobei jedoch auch deren Energie genutzt werden kann, indem man die aus diesen durch Reflektion entstandenen Strahlen auf die gebogenen Rohrteile Tb, Tc fallen läßt, die insbesondere so angeordnet sind, daß sie die Strahlung von Interferenzringen, die an entsprechenden »Brennpunkten« zusammentreffen, aufnehmen. Dagegen werden diejenigen Strahlen 23, die auf den Schattenring treffen, absorbiert Wäre der Schattenring 10 nicht vorhanden, wurden diese Strahlen entsprechend den gestrichelten Linien reflektiert und mit anderen Strahlen 21, 22 auf dem Spiegel zusammentreffen. Da sich ferner durch die Hohlkugelform in Randbereich durch Vielstrahlinterferenzen Interferenzringe ausbilden, die auch auf den Schattenring fallen, werden die entsprechenden Strahlen 24 durch den Reflektorring 17 zum Brennpunkt des Hohlspiegels reflektiert, um auch deren Energie auszunutzen.

Auf Grund der Spiegelwirkung der Abschnitte 5 und 6 der Hohlkugel und auf Grund dessen, daß das Rohr 7 im mittleren Teil halbkreisförmig gebogen und um die Achse der Hohlkugel drehbar ist, verschiebt sich lediglich der Brennpunkt des Hohlspiegels auf dem gebogenen Rohrteil 7a bzw. die Bestrahlungspunkte auf den Rohrteilen Tb, Tc entsprechend der jahreszeitlichen Wanderung der Sonne. Ansonsten bleibt der Strahlenverlauf immer derselbe, da der Schattenring 10 mit der Linse 15 entsprechend dem jahreszeitlichen Lauf der Sonne eingestellt wird.

Wird keine Linse 15 verwendet, so fällt lediglich die Ablenkung der Strahlen 22 fort. Wenn der obere Abschnitt 4 nicht abgedeckt, sondern offen ist, wird hierdurch der Strahlenverlauf nicht geändert

Der Reflektorring 17, der zum Reflektieren des Interferenzringes dient, schützt gleichzeitig an dieser Stelle den Schattenring 10.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sonnenofen mit einer gewölbten, reflektierenden Oberfläche und einem flüssigkeitsführenden Rohr, das durch einen oder mehrere Brennpunkte der gewölbten Oberfläche verläuft, gekennzeichnet durch eine feststehende Hohlkugel, die in drei horizontale Abschnitte (4,5.6) mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften eingeteilt ist, wobei der obere Abschnitt (4) offen oder lichtdurchlässig, der mittlere Abschnitt (5), der etwa zwei Drittel der Hohlkugel ausmacht, von außen durchlässig verspiegelt und der untere Abschnitt (6) innenverspiegelt ist, während das Rohr (7) im mittleren Teil (7a) halbkreisförmig gebogen und um die Achse der Hohlkugel drehbar ist

2. Sonnenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (7) in Nord-Süd-Richtung angeordnet und entsprechend dem Sonnentageslauf von einer westlichen Endstellung (7'a) in eine östliche schwenkbar ist.

3. Sonnenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (7) in der Hohlkugel mehrere, mit Abstand zueinander angeordnete, bogenförmige Teile (7a, 76, 7c) aufweist.

4. Sonnenofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogenen Teile (7a, 76 7c) konzentrisch zur Hohlkugel gebogen sind.

5. Sonnenofen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gebogene Teil (7a) einen Krümmungsradius aufweist, der gleich dem halben Kugelradius ist.

6. Sonnenofen nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (7) längsverlaufende Innenrippe"¹ aufweist.

7. Sonnenofen nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogenen Teile (7a, 76, 7c) dampfdruckseitig mit Dampfdruckventilen verbunden sind.

8. Sonnenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hohlkugel ein nicht reflektierender Schattenring (10) von der horizontalen Achse der Hohlkugel bis zum spiegelnden Abschnitt (6) reichend beweglich angeordnet ist, der entsprechend der Innenfläche der Hohlkugel ausgebildet ist.

9. Sonnenofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schattenring (10) mit dem Rohr (7) verbunden ist.

10. Sonnenofen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schattenring (10) einen auf einen ausgewählten Brennpunkt reflektierenden Ring (17) trägt.

11. Sonnenofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (17) entsprechend einem Interferenzring angeordnet ist, der auf den Schattenring (10) fällt.

12. Sonnenofen nach einem der Ansprüche 8 bis 11. dadurch gekennzeichnet, daß der Schattenring (10) durch einen Zahntrieb (12,13,14) beweglich ist.

13. Sonnenofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schattenring (10) über eine Zahnleiste (14), die an dem Rohr (7) gelagert ist und sich vertikal an der Innenfläche der Hohlkugel erstreckt beweglich ist.

14. Sonnenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Rohr (7)

einen Sonnenstrahlen auf dessen gebogenen Teil (7a) fokussierende Linse (15) angeordnet ist.

15. Sonnenofen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß die Linse (15) mit dem Schattenring (10) mit beweglich ist

16. Sonnenofen nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet daß die Linse (15) ein kuppelartiger Strahlenbündler ist.

17. Sonnenofen nach einem der Ansprüche 1 bis

16, dadurch gekennzeichnet daß die Hohlkugel durch ein funktionsbedingt ausgefachtes Skelett (1) gebildet ist

18. Sonnenofen nach einem der Ansprüche 1 bis

17, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Hälfte der Hohlkugel wenigstens im oberen Bereich als sphärische Linse ausgebildet ist.

19. Sonnenofen nach einem der Ansprüche 1 bis

18, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (7) insbesondere an den gebogenen Teilen (7a, 76, 7c) aus hochwärmebeständigem Material besteht.

20. Sonnenofen nach einem der Ansprüche 1 bis

19, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (5) der Hohlkugel zweiseitig verspiegelt ist, wobei die äußere Verspiegelung schwach ist.