DE2552092A1 - Thermostatisch geregelte, nicht nachlaufende anreicherungsvorrichtung fuer sonnenenergie - Google Patents
Thermostatisch geregelte, nicht nachlaufende anreicherungsvorrichtung fuer sonnenenergieInfo
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Description
MEISSNER & BOLTE Bremen
PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. HANS MEISSNER DIPL.-ING. ERICH BOLTE
D 28 BREMEN, l8. 11. 1975
Sievogtstraße 21 Bundesrepublik Deutschland
Telefon 0421 - 34 201? Telegramme: PATMEIS BREMEN
Unser Zeichen ±129
NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMiriSTRATION
NASA Headquarters, Washington, D.C1 U.S.A.
Thermostatisch geregelte, nicht nachlaufende Anreicherungsvorrichtung für Sonnenenergie
Die Erfindung betrifft eine thermostatisch geregelte, nicht nachlaufende Anreicherungsvorrichtung für Sonnenenergie.
Bekannte Vorrichtungen zum Extrahieren der Wärmeenergie aus der Sonnenenergie bestehen im wesentlichen aus Sammlern, welche
geeignet sind, die Wärmekomponente der Sonnenenergie zu absorbieren, um ein Strömungsmittel, z.B. Wasser zu erwärmen. Ohne die
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Eingesandte Modelle werden nach 2 Monaten, falls nicht zurückgefordert, vernichtet. Mündliche Abreden, Insbesondere durch Fernsprecher, bedürfen schriftlicher
Bestätigung. — Die in Rechnung gestellten Kosten sind mit Rechnungsdatum ohne Abzug fällig. — Bei verspäleter Zahlung werden Bankzinsen berechnet.
Gerichtsstand und Erfüllungsort Bremen. Bremer Bank, Bremen, Nr. 2310028 · Die Sparkasse In Bremen, Nr. 104 5355 · AIIg. Deutsche Credit-Anstalt, Bremen, Nr. 102 598 ■ Postscheckkonto: Hamburg 339 52-202
2 b 5 2 Q 9 2
Verwendung einer Anreicherungsvorrichtung ist die Temperatur, auf welche das Wasser gebracht werden kann, im allgemeinen
ziemlich niedrig, so daß eine "wirksame Verwendung der gesammelten
Energie nicht erreicht werden kann.
Die meisten bekannten Anreicherungsvorrichtungen benutzen einen Nachlaufmechanismus, um die Sonnenbewegung nachzuvollziehen,
welche sich mit der Tageszeit und der Jahreszeit ändert. Diese Mechanismen erfordern kostspielige Dreh- und Schwenkaiiordrmngen
und Energie für deren Betätigung, wodurch die Anfangskosten der
Anreicherungsvorrichtung erhöht werden. Außerdem ziehen die sich bewegenden Teile zusätzliche Kosten für ihre Unterhaltung und
Reparatur nach sich.
Die Erfindung ist darauf gerichtet, diese Unzulänglichkeiten zu
beseitigen.
Gemäß der Erfindung ist bei einer Anreicherungsvorrichtung für
Sonnenenergie ein Feld von zylindrischen Fresnel-Linsen vorgesehen, die alle fest positioniert und "in Ost-West-Richtung ausgerichtet
sind. Unterhalb des Feldes der Linsen ist ein stationäres Feld von in Ost-West-Richtung ausgerichteten Sammelelementen vorgesehen,
durch welche ein zu erwärmendes Strömungsmittel, z.B. Wasser fließen kann. Der Strömungsmittelfluß durch jedes Sammelelement
wird durch ein Ventil geregelt, das einen Strömungsmittelfluß durch das Element nur erlaubt, wenn die Temperatur des
Elementes einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Jede Linse konzentriert das Sonnenlicht in ein Linienbild, das sich in Ost-West-Richtung parallel zur Längsausdehnung der Linse
erstreckt. Die Breite des Bildes in Süd-Nord-Richtung hängt von der Linsendicke in dieser Richtung und von dem durch die Linse ge-
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schaffener Konzentrationsverhältnis ab. Die Sammler sind derart
angeordnet, daß unabhängig vom Sonnenwinkel, welcher sich aufgrund der Sonnenbewegung mit der Tageszeit und Jahreszeit ändert,
das von jeder Linse erzeugte Linienbild auf sehr wenige, vorzugsweise nicht mehr als zwei Sammelelemente fokussiert wird.
Im nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in
Verbindung mit der Zeichnung beschrieben» Es zeigt:
Fig. 1 eine isometrische Darstellung, die zur Erläuterung der Grundprinzipien der Erfindung zweckmäßig ist,
Fig. 2 und 3 Darstellungen in Bezug zu einer Feldanordnung, und
Fig. k eine Darstellung, die Abänderungen der in Fig. 1 gezeigten
Anordnung zeigt.
In Fig. 1 ist eine einzige zylindrische Fresnel-Linse 10 gezeigt,
deren flache, nach oben gerichtete ebene Oberfläche 10a in Richtung der Sonne weist. Die Linse 10 ist mit ihrer Längsseite oder
Länge in Ost-West-(0-W)-Richtung und mit ihrer Breite in Süd-Nord
(S-N)-Richtung fest ausgerichtet. Unterhalb der mehrfach fazettierten
Seite lOb der Linse 10 ist eine Mehrzahl von stationären Sammelelementen
C1-C8 angeordnet. Die Sammelelemente sind auf einem guten Wärmeisolator 12 gelagert. Jedes Sammelelement bestimmt einen
Kanal, durch welchen ein Strömungsmittel fließen kann.
Die Sammelelemente, welche V-förmig ausgebildet sein können und
gemeinsam einen Wärmeaufnehmer l4 bestimmen, sind ebenfalls in O-W-Richtung ausgerichtet. Die Spitzen der Elemente sind derart
miteinander verbunden, daß die V-förmigen Deckflächen 13 der Elemente eine gewellte Deckfläche lk& des Wärmeaufnehmers bestimmen.
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Die Elemente sind parallel zueinander und im Abstand längs der S-N-Richtung angeordnet.
Bekanntermaßen ändert sich der Sonnenwinkel in Bezug auf irgend eine horizontale Ebene, z.B. die Oberfläche 10a der Linse 10 mit
den Jahreszeiten. Auch während eines bestimmten Tages, wenn sich die Sonne von Ost nach West bewegt, ändert sich der Sonnenwinkel
um einige Grade. Für alle praktischen Zwecke jedoch kann die Sonnenbewegung während eines bestimmten Tages von einigen Stunden
vor und einigen Stunden nach der Mittagsstunde al3 eben angenommen werden. Eine solche Ebene ist in Fig. 1 mit Pl bezeichnet, welche
zu Erläuterungszwecken als senkrecht zur Oberfläche iOa dargestellt ist. SM, S und Sp stellen Sonnenpositionen Mittags, Vormittags
und Nachmittags dar.
Unabhängig von der Sonnenposition in der Ebene Pl konzentriert die Linse 10 die Sonnenstrahlen und bildet ein Linienbild aus.
Wenn die Sonne in der Position SM, d.h. im Höchststand ist, bildet
sich das Linienbild 15 aus. Wenn sich die Sonne aus dem Höchststand entfernt, wird ebenfalls ein Linienbild erzeugt, aber bei
einer verminderten Brennweite von der Linse, d.h. näher zur Linse hin und weiter von den Strömungsmittelkanälen weg. Für die Sonnenpositionen
S und Sp bildet sich das Linienbild l6 aus.
Die Breite des Linienbildes in S-N-Richtung hängt von dem von der Linse 10 geschaffenen Konzentrationsverhältnis und von ihrer
Breite in S-N-Richtung ab. Zur Erläuterungszwecken sei für die Linse 10 ein Konzentrationsverhältnis von 10:1 angenommen. Um
die Zeichnung zu vereinfachen, sind die Linienbilder 15 und l6
mit minimaler Breite dargestellt, d.h. als Punkte in S-N-Richtung, und nicht als kurze Linien mit einer Breite von r-= W , wobei
W die Linsenbreite in S-N-Richtung darstellt.
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In Fig. 1 sind zwei weitere Ebenen P2 und P3 dargestellt, in
welchen sich die Sonne in verschiedenen Jahreszeiten bewegt. In der Ebene P2 sind drei Sonnenpositionen S' , S' und S'
und in der Ebene P3 sind drei ähnliche Positionen S' ',, ,
S1' und S1' dargestellt. Wenn sich die Sonne in der Ebene P2
befindet, werden die Linienbilder 15a und l6a ausgebildet, welche,
wie in Fig. 1 gezeigt ist, die konzentrierten Sonnenstrahlen auf die Elemente C7 und C8 foKussieren, welche sich rechts oder in
Nord-Richtung vom Element Ck befinden. Wenn sich die Sonne andererseits in der Ebene P3 bewegt, werden Linienbilder 15b und lbb
ausgebildet, welche die Sonnenstrahlen konzentrieren und diese auf die Elemente C2 und/oder Cl fokussieren, welche sich links
oder in Süd-Richtung vom Element C4 befinden. Der einzige Effekt von Veränderungen des Sonnenwinkels besteht daher in einer Verschiebung
der Stelle des Linienbildes in S-N-Richtung. Demzufolge werden die Sonnenstrahlen auf verschiedene Sammler fokussiert,
welche in S-N-Richtung verteilt sind.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, stehen die Einlaßenden 20 der Kanäle C1-C8 mit einem gemeinsamen Einlaßsammelrohr 22 in Verbindung,
in welches das zu erwärmende Strömungsmittel von einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) über eine Leitung 23 eintritt. Die Auslaßenden
21 der Kanäle stehen mit einem gemeinsamen Auslaßsammelrohr 25 in Verbindung, von welchem das erwärmte Strömungsmittel
über eine Leitung 26 zu einer geeigneten Benutzungsvorrichtung fließt. Mit jedem Kanal ist ein gesondertes, thermostatisch geregeltes
Ventil 32 verbunden. Jedes Ventil befindet sich im allgemeinen
im geschlossenen Zustand. Es öffnet sich nur, um das Strömungsmittel durch den entsprechenden Kanal fließen zu lassen,
wenn dessen Temperatur die ausgewählte Schwellwert temperatur überschreitet. In Fig. 2 sind alle Ventile bis auf das mit dem Kanal
C4 verbundene Ventil geschlossen. In einem solchen Falle fließt das
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in das Einlaßsammeirohr 22 eindringende Strömungsmittel nur durch den erwärmten Kanal Ck und das den Kanal verlassende
erwärmte Strömungsmittel fließt zu der Benutzungsvorrichtung
30 über das AuslaßsammeIrohr 25 und die Leitung 26. Obwohl
also das Strömungsmittel durch alle Kanäle fließen kann, ist es nur auf solche Kanäle begrenzt, deren Temperatur das Schwellwerttemperaturniveau
überschreiten.
Obwohl nur eine einzige Linse 10 gezeigt ist, wird in Praxis eine Mehrzahl solcher Linsen in einem Feld von gewünschter
Oberflächengröße angeordnet, wobei alle Linsen sich in 0-W-Richtung
, wie in Fig. 3 gezeigt ist, erstrecken. Unter der Voraussetzung, daß das Feld in O-W-Richtung 5 m lang und in S-N-Richtung
2 m breit ist und daß jede Linse 1 m lang und 10 cm breit ist, sind 100 Linsen erforderlich. Unter der Voraussetzung, daß
jede Linse eine f-Zahl von ungefähr 1,0 bis 1,5 aufweist, wird
das Bild der Sonne im Höchststand ungefähr 10 bis 15cm von der Linse entfernt sein. Mit einer Linsenbreite von 10 cm und einem
Konzentrationsverhältnis von 10:1 wird es in S-N-Richtung ungefähr 1 cm breit sein. Die Linsenbrennweite, d.h. der Bildabstand
von der Linse, wird abnehmen, wenn sich die Sonne aus dem Höchststand fortbewegt.
Mit der heutigen Technologie können solche Linsen aus Preßmasse hergestellt werden, um eine gute Leistungsfähigkeit und Beständigkeit
zu haben. Sie können ziemlich dünn sein, ungefähr 1 bis 2 mm dick, sogar mit relativ kurzer Brennweite. Da ein Kcnzentrationsverhältnis
von 10:1 und eine f-Zahl in dor Größenordnung von .1 bis 1,5 vorausgesetzt wird, kann mit Hilfe von physikalischen
optischen Berechnungen gezeigt werden, daß sie eine Winkelgenauigkeit
von 5 in Strahlenrichtung aufweist. Daher stellen die üblichen Erwägungen beim Linsenbau, z.B. im Hinblick auf die
chromatische Aberration, achsenentfernte Aberration (d.h. Sonnen-
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neigung) und Herstellungsgenauigkeit keine Probleme dar. Die Linsen können daher ziemlich preiswert mit relativ großen
Herstellungstoleranzen hergestellt werden.
Mit einer Fresnel-Linse mit einem Randelement mit einem JO Scheitelwinkel,
was einem Randelement einer f/l,5-Linse entspricht, kann ein Konzentrationsverhältiiis von 10:1 für Neigungswinkel
bis zu 30 vom Höchststand erzielt werden, was einem Sonnenstand zwei Stunden vor und nach ihrem Höchststand entspricht
Dies gilt für den Fall, bei dem die flache Oberfläche 10a der Linse nach oben zeigt, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn die
mehrfach fazettierte Seite 10b in Sonnenrichtung zeigt und die flache Oberfläche 10a in Richtung der Kanäle, wird das
Konzentrationsverhältnis von 10:1 für Neigungswinkel bis zu h.3
vom Höchststand erzielt, was einer Sonnenstellung drei Stunden vor und nach ihrem Höchststand entspricht. In Fig. 1 sind die
Neigungswinkel in der Ebene Pl vor und nach dem Höchststand jeweils mit 01 und Oi bezeichnet.
Der Abstand zwischen den Kanälen und den Linsen hängt natürlich von der Brennweite der Linsen ab. In Fig. 1 sind die Kanäle unter-.halb
der Bildlinien 15 und l6, d.h. in einem Abstand größer als die Brennweite der Linsen angeordnet. Praktisch werden die Kanäle
derart angeordnet, daß die konzentrierten Strahlen unabhängig vom Neigungswinkel von einer minimalen Anzahl von Kanälen aufgefangen
werden, welche entweder vor oder hinter der Bildebene, d.h. der Ebene, in welcher das Bild ausgebildet wird, angeordnet sein
können. Bei einer angenommenen Bildbreite von einem Zentimeter sollten die Spitzen bzw. Ränder der Kanäle nicht weniger und
vorzugsweise mehr als ein Zentimeter voneinander beabstandet sein. Die Spitzen 33 der Kanäle sind der Fig. 1 zu entnehmen. Die Anzahl
der Kanäle, welche mit jeder Linse verbunden sind, hängt von der
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Breite (in S-N-Richtung) eines jeden Kanals und der Größe der
Verschiebung des Bildes in S-N-Richtung ab, wenn sich d^er
Sonnenwinkel mit den Jahreszeiten verändert. -
In Fig. 1 sind alle Kanäle mit ihren Spitzen 33 oberhalb der
Bildebene einer jeden, von der Linse 10 ausgebildeten Bildlinie gezeigt. Darüber hinaus sind alle Kanäle mit ihren Spitzen
in einer Ebene parallel zur flachen Oberfläche IQa der Linse
gezeigt und zusätzlich weisen die Kanäle eine gleiche Breite auf, d.h. gleichen Abstand zwischen ihren Spitzen 33· Um die Zahl der
Kanäle, auf welche die konzentrierten Strahlen fokussiert werden oder auftreffen, möglichst klein zu halten, kann eine Anordnung,
wie in Fig. k gezeigt ist, benutzt werden, wobei die Kanäle von
einem gekrümmten Lagerbauteil 12 im Gegensatz zu einem flachen Bauteil unterstützt werden. Darüber hinaus können die Spitzen
näher zur Linse angeordnet sein, so daß einige der Linienbilder, z.B. 151 15a und 15b unterhalb der Kanalspitzen ausgebildet werden.
In Fig. k sind die Bilder als kurze Linien in S-N-Richtung dargestellt
im Gegensatz zu den in Fig. 1 gezeigten Punkten. Die Breite dieser Linien beträgt für ein Konzentrationsverhältnis von 10:1
l/lO der Linsenbreite.
Die äußeren in Fig. 4 dargestellten Kanäle C und C können breiter
χ y
als der Mittelkanal C sein, wodurch die Anzahl von Kanälen,
welche die konzentrierten Strahlen empfangen, wenn die Sonne sich nicht in einer Ebene Pl senkrecht zur Linsenoberfläche befindet,
reduziert wird. Mit der in Fig. 1 gezeigten Kanalanordnung kann
die maximale Anzahl von Kanälen, auf welche die konzentrierten Strahlen fokussiert werden, auf drei beschränkt werden, sogar mit
einer* Kanalbreite, die nicht kleiner als die Bildbreite ist. Mit der in Fig. k gezeigten Kanalanordnung kann die maximale Zahl auf
zwei reduziert werden. Die Linse 10 ist außerdem vorzugsweise in
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einem horizontalen Drehzapfen gelagert. Sie kann daher geschwenkt
werden, so daß die Sonne sich in einer senkrechten Ebene bewegt und ihre Strahlen von einem Kanal absorbiert
werden, wodurch ein maximaler Wirkungsgrad während einer bestimmten Jahreszeit erzielt wird.
Die Verwendung von V-förmigen Kanälen ist vorteilhaft, da der Bereich der Kanalöffnung, der durch den Abstand zwischen den
Spitzen 33 mal der Länge bestimmt wird, erheblich geringer als die Gesamtfläche der oberen Deckfläche 13 ist, wodurch der Bereich
von Rückstrahlungsverlusten reduziert wird. Außerdem ist
jeder Kanal mit den benachbaraten Kanälen nur an seinen beiden Spitzen und an seinem Scheitelpunkt mit dem Lagerbauteil 12 verschweißt,
wodurch der Berührungsbereich, über welchen Wärme von dem erwärmtep Kanal zu benachbarten Elementen abfließen kann,
reduziert wird. Falls erwünscht, kann der Raum zwischen der Linse und den Kanälen und/oder die Räume zwischen den unteren Seiten
der Kanäle und dem Lagerbauteil 12 evakuiert werden, um die Wärmeverluste durch Konvektion zu reduzieren. Darüber hinaus
können die Räume zwischen den Kanälen 'und dem Lagerbauteil mit Isolationsmaterial ausgefüllt sein. Jede und alle diese
Maßnahmen können verwendet werden, um Wärmeverluste zu redtizieren
und um dadurch die Wärmemenge, die von jedem Kanal empfangen wird, um das durch ihn fließende Strömungsmittel zu erwärmen,
möglichst groß zu machen.
Die Deckflächen 13 der Kanäle, welche den konzentrierten Sonnenstrahlen
aussetzbar sind, sollten vorzugsweise mit einem infrarotselektiven Belag bedeckt werden, um die infrarote Rückstrahlung
zu reduzieren und um dadurch die von den Kanälen aus den konzentrierten Strahlen absorbierte Wärmeenergie zu erhöhen,
welche dem durch den erwärmten Kanal fließenden Strömungsmittel
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abgegeben wird. Verschiedene infrarotselektive Beläge stehen
im Handel für diesen Zweck zur Verfügung. Sie enthalten Siliziumkarbid und Mischungen von Molybdän- und Silxziumoxiden.
Das Arbeitsströmungsmittel braucht nicht auf Wasser beschränkt
sein. Es kann Äthylenglykol, Druckwasser oder andere organische Substanzen enthalten.
Jedes Ventil 32 kann aus einem bimetallischen Schnappelenent mit
zwei Stellungen bestehen, wobei eine dem heißen und die andere dem kalten Zustand entspricht. Alternativ hierzu kann ein Ventil,
das die Strömungsmittelrate proportional als Funktion der Temperatur regelt, benutzt werden, um eine gewünschte Ausgangstemperatur
des Strömungsmittels aufrechtzuerhalten. Außerdem kann
jedes Ventil so gelagert sein, um direkt von der" auf das Äußere
der Kanaloberfläche fallenden Sonnenenergie sowie von der tatsächlichen
Temperatur des Strömungsmittels in dem erwärmten Kanal beeinflusst zu werden.
Es kann gezeigt werden, daß bei k2 nördlicher Breite unter
klaren Himmelsbedingungen ein Umwandlungswirkungsgrad von ungefähr 6O?o erzielt werden kann mit einer Linse mit einem Ubertragungskoeffizient
/"i = 0,9, einem Kanal mit einer äquivalenten
Absorptionsf ähigkeit ίΧ= 0,9 und einem Konzentrationsfaktor ίϊ1'=
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Claims (8)
- Pat ent ansprüche/' l.i Anreicherung^vorrichtung für Sonnenenergie, gekennzeichnety^J durch eine zylindrische Linse (lO), die fest in Ost-West-Richtung angeordnet und der Sonne aussetzbar ist» um die Sonnenstrahlen zu konzentrieren und ein Linienbild zu schaffen, durch eine Mehrzahl von langgestreckten Strömungsmittelkanälen (Cl, ... C8), wobei· jeder Kanal ein Eihlaßcnde (20) und ein Auslaßende (21) aufweist, durch welche ein Strömungsmittel fließen kann, durch eine Lagereinrichtung (12), um die Kanäle fest in der Nähe der Linse (10) anzuordnen, wobei sich die Kanäle in Ost-West-Richtung erstrecken und voneinander in Süd-Nord-Richtung beabstandet sind, wodurch die von der Linse (10) konzentrierten Sonnenstrahlen auf weniger als alle Kanäle fokussiert werden, durch eine Strömungsmitteleinlaßeinrichtung (22), die mit den Einlaßenden (20) aller Kanäle verbunden ist, um diese mit Strömungsmittel zu beaufschlagen, durch eine Strömungsmittelauslaßeinrichtung (25), die mit den Auslaßenden (21) aller Kanäle verbunden ist, um ein Strömungsmittel aufzunehmen, das durch einen der Kanäle strömt, und durch ein gesondertes, thermostatisch geregeltes Ventil (32), das mit jedem Kanal verbunden ist, um eine Strömung des Strömungsmittels durch den Kanal nur dann zu ermöglichen, wenn das Ventil (32) eine Temperatur oberhalb einer vorbestimmten Schwellwerttemperatur abfühlt.
- 2. Anrexcherungsvorrxchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,609822/07/4 9 ORIGINAL INSPECTEDdaß die Kanäle (Cl, ···, C8) sich im Abstand voneinander und von der Linse (lO) befinden, wodurch irgend^_jvelche von der Linse konzentrierten Sonnenstrahlen auf nicht mehr als drei Kanäle fokussiert werden, unabhängig vom Sonneiiwinkel in Bezug auf den Horizont.
- 3· Anreicherungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine zylindrische Fresnel-Linse (10) ist.
- 4. Anreicherungsvorrichtung nach Anspruch 3i dadurch, gekennzeichnet, daß jeder Kanal (Cl, ..., C8) V-förmig ist, wobei die Spitzen (33) von benachbarten Kanälen nebeneinander liegen, um eine gewellte Deckfläche (l4a) zu bilden.
- 5- Anreicherungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche (13) eines jeden den konzentrierten Sonnenstrahlen aussetzbaren Kanals mit einem Wärme absorbierenden Belag überzogen ist.
- 6. Anreicherungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von zylindrischen Linsen (10), die in einem rechteckigen Feld von ausgewählter Oberflächengröße angeordnet sind, wobei alle Linsen fest in Ost-West-Richtung positioniert sind.
- 7· Anreicherungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linse eine zylindrische Fresnel-Linse (10) ist.
- 8. Anreicherungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal V-förmig ist, wobei die Spitzen6 0 9 8 2 2/0749 0^GiNAL iNsP£CT£D2b52092von benachbarten Kanälen nebeneinanderliegen, um eine gewellte Deckfläche zu bilden.Für die Anmelderin:Bremen, den l8. 11. 1975 Meissner Sc BoltePatentanwälte609822/07 4-ifLeerseite
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