DE2533530C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine sich in Längsrichtung er­ streckende Strahlungsenergiekonzentrationsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind bereits zahlreiche Strahlungsenergiekonzentrationsvor­ richtungen bekannt, und es ist ferner bekannt, daß bei solchen Vorrichtungen die einfallende Sonnenenergie mit einem hohen Wirkungsgrad ausgenutzt werden soll. Insbesondere gilt es, einen Energieverlust durch Rückstrahlung und einen hohen Aufwand durch komplizierte Nachführeinrichtungen im Hinblick auf den täglichen Umlauf der Sonne zu vermeiden. Um die Rückstrahlung zu vermeiden, wurden bereits selektive Beschichtungen zur Energieabsorption verwendet. Es ist ferner bereits bekannt, Spiegel- und Linsensysteme, also abbildende Systeme, zu verwenden, bei denen die Sonnenenergie zu einem Brennpunkt hingeleitet wird, an dem die Leistungserzeugung erfolgt. Alle diese bekannten Strahlenenergiekonzentrationsvorrichtungen machen Nachlaufsysteme zur Verfolgung der Sonnenbahn erforder­ lich.

Um die Nachführung entsprechend dem täglichen Sonnenlauf zu vermeiden, wurden bereits riesige Spiegeloberflächen vorgeschlagen, was aber insgesamt nur einen geringen Wirkungsgrad ergibt. Im allgemeinen ist es daher so, daß man mit Strah­ lungsenergiekonzentrationsvorrichtungen, die über den Tag hinweg der Bahn der Sonne nachgeführt werden, große Wirkungsgrade erzielbar sind, während nur eine geringe oder keine tägliche Einstellung erfordernde Konzentrationsvorrichtungen nur eine geringe Konzentration, d. h. einen niedrigen Wirkungsgrad besitzen.

Speziell ist aus der DE-PS 2 31 294 eine sich in Längsrichtung erstreckende Strahlungsenergiekonzentrationsvorrichtung bekannt, die im Konzentrationsbereich einfallender Strahlungs­ energie eine kontinuierlich ausgebildete reflektierende gekrümmte Seitenwand aufweist, die aus einem nach einer bestimmten Kurve gebogenen Blech hergestellt ist. Bei dieser bekannten Energiekonzentrationsvorrichtung ist es erforderlich, zur Erreichung eines angemessenen Wirkungsgrades eine Verstellung der reflektierenden Seitenwand entsprechend dem Sonnenstand vorzunehmen. Aus der FR 11 22 344 ist es bekannt, einen Absorber in Form eines Zylinders im Brennpunktbereich von zylindrischen bzw. parabolförmigen Spiegeln anzuordnen, die den Zylinder in einer zur Einstrahlungsseite offenen Halb­ kreisanordnung umgeben. Dabei weisen die Spiegel bzw. Seitenwände mehrere Teile auf. Ferner ist aus der FR 11 65 672 eine sich in Längsrichtung erstreckende Strahlungsenergiekonzentrations­ vorrichtung im wesentlichen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsenergiekonzentrationsvorrichtung nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß bei hohem Wir­ kungsgrad sich die Nachführung dieser Vorrichtung nach dem täglichen Sonnenstand erübrigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei der Strahlungs­ energiekonzentrationsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei ein Energie­ wandler mit Kreisquerschnitt benutzt wird;

Fig. 2 die Involute der Seite des Energiewandlers;

Fig. 3 die Konstruktion des Kollektors der Erfindung;

Fig. 4 die erfindungsgemäße Konstruktion, bei der R _max nicht gleich auf beiden Seiten der Bezugsachse ist;

Fig. 5 die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei der Energie­ wandler einen ovalen Querschnitt besitzt;

Fig. 6 die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei der Energie­ wandler in der Form einer flachen Platte ausgebildet ist und wobei die Wände einen Trog bilden;

Fig. 7 und 8 ein Heizrohr von kreisförmigem und ovalem Quer­ schnitt in einem trogförmigen, gemäß der Erfindung ausge­ bildeten Gebilde;

Fig. 9 das erfindungsgemäße trogförmige Gebilde mit End­ wänden;

Fig. 10 eine Anordnung von erfindungsgemäßen Energie­ konzentrationsvorrichtungen die zur Sammlung von Sonnenenergie verwendet werden.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Strahlungsenergie­ konzentrationsvorrichtung gezeigt, die Energie über einen Aufnahmewinkel R _max auf jeder Seite einer Bezugsachse 12 aufnimmt, und diese Energie in einen Energie­ aufnehmer/Energiewandler 13 richtet. Der Energieaufnehmer kann beispiels­ weise ein Rohr sein, welches ein Strömungsmittel enthält, um die Wärmeenergie zu einer gewünschten Stelle zum Zwecke der Verwendung zu leiten. Der Energie­ aufnehmer könnte auch ein Fotoelement sein, das infolge darauf einfallender Strahlungsenergie einen elektrischen Strom erzeugt. Die Art des verwendeten Aufnehmers ist nicht auf die oben beschriebenen begrenzt, vielmehr kann irgendeine Art eines Energie­ aufnehmers benutzt werden, der auf Strahlungsenergie an­ spricht.

Der Energiewandler 13 mit kreisförmigem Querschnitt ist tangential zu einer Bezugsebene 24 zwischen Seitenwänden 15 und 16 angeordnet, die so geformt sind, daß sie Strahlungsenergie, die längs einer einen Winkel bezüglich der Bezugsachse 12 von weniger als R _max bildenden Linie ge­ richtet ist, in den Energiewandler leiten. Der Energiewandler 13 ist derart geformt, daß eine zu irgendeinem Punkt an der Oberfläche tangential verlaufende Linie die Oberfläche des Energiewandlers nicht an irgendeinem anderen Punkt kreuzt. Die Bezugsebene 24 ist kein Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sondern wird zur Aufstellung der Beziehung zwischen dem Wandler und den Seitenwänden verwendet. Der Wandler ist derart angeordnet, daß er sich auf der einen Seite der Bezugsebene 24 befindet, so daß ein Durchmesser des Wandlers längs der Bezugsachse 12 verläuft. Seitenwand 15 besitzt einen ersten Teil 19 und einen zweiten Teil 18. Seitenwand 16 besitzt einen ersten Teil 22 und einen zweiten Teil 21. Die Seiten­ wandteile 19 und 22 sind Involuten der Seiten des Energiewandlers 13, während die Form der Seitenwandteile 19 und 21 durch den Winkel R _max bestimmt ist.

Fig. 2 veranschaulicht die Abwicklung der Involute der Seite des Energiewandlers 31. In Fig. 2 ist ein Energie­ wandler 31 dargestellt, der die gleiche Kreisform wie der Energiewandler 13 gemäß Fig. 1 besitzt. Die Involute der Seite 32 des Energiewandlers 31 wird wie folgt ausgebildet. Ein Faden 34 wird am Energiewandler 31 an einem festen Punkt 35, der sich auf der Bezugsachse 37 befindet, befestigt. Die Bezugsachse 37 entspricht der Bezugsachse 12 der Fig. 1. Der Faden 34 wird um Seite 32 herumgewickelt, wobei der Endpunkt 38 des Fadens 34 am Startpunkt 40 liegt. Der geometrische Ort des Endes des Fadens 34, wenn dieser vom Energiewandler 31 abgewickelt wird, ist die Involute der Seite 32. Dies ist Kurve 41 der Fig. 2.

Es sei nun wieder auf Fig. 1 Bezug genommen, wo R _max der Aufnahmewinkel ist, über den hinweg längs einer einen Winkel von weniger als R _max mit der Bezugsachse 12 einschließenden Linie aufgenommene Strahlung in den Energiewandler 13 gerichtet wird. Die Linien 43 und 44 werden als Schattenlinie bezeichnet. Eine Schattenlinie ist als eine Linie tangential bezüglich des Energiewandlers 13 definiert, welche die Bezugsachse 12 an einem Punkt auf der gleichen Seite der Bezugsebene 24 wie der Energiewandler 13 mit einem Winkel R _max schneidet.

Die ersten Teile 19 der Seitenwand 15 haben die Form der Involute der Seite 25 des Energiewandlers 13. Der erste Teil 22 der Seitenwand 16 hat die Form der Involute der Seite 26 des Energiewandlers 13. Die ersten Teile 19 und 22 der Seitenwand enden an den Schattenlinien 43 und 44.

Der zweite Teil 18 der Seitenwand 15 ist derart geformt, daß die auf irgendeinen Punkt des zweiten Teils 18 der Seitenwand 15 mit einem Winkel R _max auftretende Strahlung längs einer Linie re­ flektiert wird, die tangential zum Energiewandler 13 verläuft. Dies ist durch Strahlungslinien 46 veranschaulicht, die parallel zur Schattenlinie 43 verlaufen. Längs der Strahlungslinien 46 laufende Strahlung wird längs der Linien 47 bis 50 reflektiert, die tangential zum Energiewandler 13 verlaufen. Längs der Strahlungslinien 52, 53, 54 und 55 verlaufende Strahlung - alle diese Linien schneiden die Bezugsachse 12 mit einem Winkel von weniger als R _max - werden gegen den Energiewandler 13 gerichtet. Der Seitenwandteil 18 beginnt an der Schattenlinie 43 als eine glatte Fortsetzung des ersten Seitenwandteils 19 und wird zu einem Endpunkt 57 hin fortgesetzt, der der Punkt ist, wo eine Tangente zur Seitenwand 15 parallel zur Be­ zugsachse 12 verläuft. Der zweite Teil 21 der Seitenwand 16 ist in der gleichen Weise ausgebildet wie Seitenwandteil 18 und erstreckt sich von Schattenlinie 44 zu Endpunkt 58. Eine Linie tangential zur Seitenwand 16 am Endpunkt 58 verläuft parallel zur Bezugsachse 12. Obwohl die Konzentrationsvorrichtung der Fig. 1 mit zwei Seitenwänden dargestellt wurde, kann die Vorrichtung auch - wenn gewünscht - mit nur einer Seitenwand ausgebildet werden. Der Konzentrationsfaktor ist die Breite der Öffnung dividiert durch den Umfang des Wandlers und ist gleich 1/sin R _max .

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 seien die folgenden Definitionen zum Zwecke dieser Darstellung vereinbart. ist die Richtung des bei R _max einfallenden Extremstrahls; S ist die Bogenlänge längs der Profilkurve E des Wandlers gemessen vom Punkt P als Ursprung; ist die Tangente an E am Punkt R; l ist der Abstand von Punkt R zu Punkt auf der Konzentrations­ vorrichtung C. Daher gilt:

Die Kurven C und E werden durch S parametrisiert: Dann ergibt sich für O S S₁ die übliche Involutenbedin­ gung

was S₁ = l₁ ergibt. Für S₁S S₂ wird

gefordert, was die Bedingung ist, daß der Extremstrahl in die Tangente reflektiert wird. Dies ergibt

Daher ist

S₁ + S₂ = 2r _2x k _x = 2r _2x sin R _max .

Somit ist der Konzen­ trationsfaktor

2r _2x /(S₁ + S₂) = 1/sin R _max .

In Fig. 4 ist eine Energiekonzentrationsvorrichtung einer ähnlichen Bau­ art wie in Fig. 1 dargestellt. Der Energiewandler 60 hat einen kreisförmigen Querschnitt, aber die Winkel R _1max und R _2max sind verschieden. Die Seitenwand 61 unterscheidet sich somit von der Seitenwand 63. Die Seitenwände 61 und 63 sind in der gleichen Weise wie in Fig. 1 definiert. Ein Spiegel 62 mit Reflexionsoberflächen 64 und 67 ist längs der Bezugsachse 56 angeordnet. Der Spiegel 62 endet auf einer Höhe, die nicht kleiner ist als die Höhe der längeren Seitenwand, in diesem Beispiel der Seitenwand 63.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei der Energieempfänger/(Energiewandler 65) einen ovalen Querschnitt besitzt und auf der Bezugsebene 66 angeordnet ist, wobei eine Symmetrieachse des Ovals auf der Bezugsachse 70 liegt. Die zweiten Seitenteile 71 und 72 der Seitenwände 68 und 69 sind derart geformt, daß die unter einem Winkel R _max aufgenommene Energie tangential zum Energiewandler 65 reflektiert wird. Die ersten Seitenwand­ teile 74 und 75 sind die Involuten der Seiten des Energiewandlers 65 und erstrecken sich zu den Schattenlinien 80 und 81. Die Endpunkte 83 und 84 sind Punkte auf den Seitenwänden 68 und 69, wo die Tangente an die Seitenwände parallel zur Bezugsachse 70 verläuft.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem der Energiewandler 86 in der Form einer flachen Platte oder eines Blechs mit einem rechteckigen Quer­ schnitt ausgebildet ist. Die Seitenwände 87 und 89 sind in der gleichen Weise wie oben beschrieben entwickelt. Es sei bemerkt, daß die Involute des Energiewandlers 86 mit dem dünnen rechteckigen Querschnitt im wesentlichen der Bogen eines Kreises ist, der sich zu den Schatten­ linien 91 und 92 erstreckt.

In Fig. 6 sind die Seitenwände 87 und 89 verlängert, um ein trogartiges Gebilde zu formen, wobei sich der flach ausgebildete Energiewandler 86 ebenfalls in der gleichen Richtung erstreckt. Hier wird die Energie, die in den Kollektor zwischen den gestrichelten Linien 94 und 95 unter einem Winkel von weniger als R _max eintritt, auf den Energiewandler 86 gerichtet. Die flache Platte kann beispielsweise eine Anordnung von Fotoelementen aufweisen, um die Strahlungsenergie in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Es sei bemerkt, daß der im Querschnitt in den Fig. 1, 4 und 5 gezeigte Energiewandler auch ausgedehnt ausgebildet sein kann, wie dies für den flachen Energiewandler 86 der Fig. 6 dargestellt ist. Der Spiegel 62 der Fig. 4 sollte in der gleichen Weise ausgedehnt ausgebildet sein.

Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen andere Ausbildungsformen der Erfindung, bei denen das trogförmige Gebilde mit in der beschriebenen Weise gekrümmten Seitenwänden Heizrohre als Energieempfänger (Energiewandler) aufweist. Fig. 7 zeigt ein Heizrohr 98 mit kreisförmigem Querschnitt, während Fig. 8 ein Heiz­ rohr 99 mit ovalem Querschnitt zeigt. In Fig. 9 ist ein mit Endwänden 100 und 101 ausgestattetes Gebilde dargestellt, welche das Gebilde optisch unendlich lang machen.

Die beschriebene und beanspruchte Vorrichtung ist insbesondere zur Konzentration von Sonnenstrahlung verwendbar, da diese Vorrichtung Energie über einen großen Aufnahmewinkel hinweg aufnehmen kann, ohne daß die Kon­ zentrationsvorrichtung der Sonne nachgeführt werden müßte. Wenn ein hoher Grad an Sonnenkonzentration erfoderlich ist, so kann es notwendig sein, jahreszeitliche Änderungen der Kollektorstellung vorzunehmen. In Fig. 10 ist eine Anordnung von Solarkollektoren 105 der beschriebenen Art dargestellt, die zum Sammeln von Sonnenenergie angeordnet sind. Die Seitenwände würden ein reflektierendes Material, wie beispielsweise Aluminium oder Silber, aufweisen, welches im wesentlichen die ganze Sonnenenergie reflektieren würde.

Obwohl die Erfindung im einzelnen als eine Konzentrationsvorrichtung für Energie und zusammen mit einem Energieempfänger beschrieben wurde, so ist die Erfindung doch nicht auf diese Ausbildungsform beschränkt. Es kann irgendein elektromagnetischer Energiewandler, Empfänger oder Sender verwendet werden. Wenn es somit erwünscht ist, Energie über einen Winkel R _max zu übertragen, so könnte für den Energieempfänger ein Energiestrahler eingesetzt werden.

Claims (10)

1. Eine sich in Längsrichtung erstreckende Strahlungsenergie­ konzentrationsvorrichtung, mit einem konvexen Energiewandler (13), die im Konzentrationsbereich einfallender Strahlungsenergie mindestens eine kontinuierlich ausgebildete reflektierende gekrümmte Seitenwand (15) aufweist, deren zum Energiewandler (13) hin gelegenes Ende durch den Energiewandler (13) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand (15) erste und zweite Teile (19, 18) aufweist, daß der erste Teil (19) die Form einer Involute einer konvexen Seitenwand des Energiewandlers (13) aufweist und daß der zweite Teil (18) sich kontinuierlich vom ersten Teil (19) aus erstreckt und sämtliche innerhalb eines Aufnahmewinkels R _maximum auftreffende Strahlungsenergie auf den Energiewandler (13) reflektiert, wobei R _maximum zwischen der den Energiewandler (13) schneidenden Bezugsachse (12) und einer Geraden (28) gebildet ist, die den Endpunkt (58) eines zum zweiten Teil (18) spiegelbildlich zu denkenden zweiten Teils (21) tangential mit dem Energiewandler (13) verbindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Seitenwände (15, 16) vorgesehen sind, die symmetrisch zum Energiewandler (13) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Teile (19, 22) bis zu einer zugehörigen Schattenlinie (43, 44) verlaufen, die durch Geraden (28, 29) gebildet sind, die die Endpunkte (58, 57) der zweiten Teile (21, 18) tangential mit dem Energiewandler (13) verbinden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von dem Energiewandler (60) auf der Bezugsachse (56) ein Spiegel (62) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von entgegengesetzt angeordneten Endwänden (100, 101) die erste Seiten­ wand (15) und zweite Seitenwand (16) verbinden, wobei die Endwände (100, 101) senkrecht zur Längserstreckung des Energiewandlers (13) verlaufen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Energiewandlers (13) in der Form eines eines Kreises ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Energiewandlers (13) die Form eines Ovals aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler (86) in der Form einer flachen Platte ausge­ bildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler (86) Fotoelemente aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energie­ wandler (13) ein Heizrohr ist.