DE2605127A1

DE2605127A1 - Vorrichtung zur konzentration von sonnenstrahlung

Info

Publication number: DE2605127A1
Application number: DE19762605127
Authority: DE
Inventors: Wally Szulmayer
Original assignee: Unisearch Ltd
Current assignee: Unisearch Ltd
Priority date: 1975-02-13
Filing date: 1976-02-10
Publication date: 1976-09-02
Also published as: GB1529255A; US4230094A

Description

UEXKÜIL Ί STOLHERG PATENTANWÄLTE

2 HAMBURG 52

BESELERSTRASSE 4

DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL

DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE

Unisearch Limited (Prio: 13. Februar 1975

AU PCO596/75 - 12836) Barker Street
Kensington/Australien Hamburg, '9. Februar 1976

Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlung durch Bündelung dieser Strahlung auf einen geradlinigen Auftreffbereich.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlung bekannt (Solar Energy, 1973, Vol. 14, Seiten 327 bis 331), die Sonnenstrahlung auf einen linearen Bereich bündelt oder fokussiert, etwa auf einen Stab oder eine Wasserleitung. Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem transparenten Kunststoffstreifen, der ein Muster paralleler, prismatischer Nuten und Rippen aufweist, um die erforderliche Brechung der Strahlen zu erzeugen, so daß die Strahlung fokussiert wird.

Der wesentliche Nachteil aller bisherigen Vorrichtungen zur Konzentration von Sonnenstrahlung besteht darin, daß sie der Sonne nachgeführt werden müssen, d.h. sie müssen kontinuierlich oder periodisch neu ausgerichtet werden, um so der Bewegung der Sonne zu folgen.

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Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlung zu schaffen, die stationär betrieben werden kann, ohne daß eine Neuausrichtung bei Bewegung der Sonne erforderlich wäre.

Dazu werden im wesentlichen ein oder mehrere Brechungselemente, etwa Streifen der in der vorstehend genannten Veröffentlichung beschriebenen Art, zylindrische Fresnel-Linsen oder ähnliche Elemente in Zusammenhang mit einem trogförmigen Reflektor geeigneter Form benutzt, der einen sich geradlinig erstreckenden Auftreffbereich, etwa ein Rohr umschließt.

Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlung, die sich auszeichnet durch einen Refraktor in Form mindestens eines Streifens aus tranparentem Material, der ein Muster paralleler, primatischer Nuten zum Brechen der auffallenden Sonnenstrahlung auf einen trogförmigen Reflektor^, aufweist, dessen öffnung von dem Streifen verschlossen ist und durch einen im Reflektor vorgesehenen, sich parallel zur Achse des Streifens erstreckenden geradlinigen Auftreffbereich für die Sonnenstrahlung, wobei die optischen Eigenschaften der Elemente derart gewählt sind, daß die Konzentration der Sonnenstrahlung ohne Nachführen der Vorrichtung entsprechend dem sich ändernden Sonnenstand erfolgt.

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Die. Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert .

Fig. 1 zeigt die Betriebsweise einer Vorrichtung mit einem einzigen Konzentratorstreifen.

Fig. 2 zeigt die Betriebsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Konzentratorstreifen und einem Reflektor.

Fig. 3 zeigt verschiedene Anordnungen von Konzentratorstreifen.

Fig. 4 zeigt eine kombinierte Refraktor-Reflektor-Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 5 zeigt die Betriebsweise eines einzelnen Konzentratorstreifens bei achsparallelem und schrägem Strahlungseinfall.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Erfindung mit einem einzelnen Konzentratorstreifen und einem Reflektor.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein einzelner Konzentratorstreifen die erwünschte Brechung der Sonnenstrahlung erzeugt,

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-A-

um diese auf einen geradlinigen Bereich P, etwa ein Wasserrohr zu fokussieren. Zur Erzielung einer maximalen Wirksamkeit sollte der Streifen senkrecht bezüglich den Sonnenstrahlen verlaufen, und ein schräger Einfall der Sonnenstrahlung verschiebt die Brennlinie vom Wasserrohr P nach P'. Wenn sich die Sonne über den Himmel bewegt, etwa in die Stellung S¹, muß somit der Streifen in die Lage A¹ nachgestellt werden.

Sind jedoch vier Streifen stationär in Stellungen gemäß Fig. angeordnet, so befindet sich der geradlinige Bereich in der Brennlinie der Streifen A, B, C und D, wenn die Sonne Höhenwinkel von jeweils 60°, 45°, 30°, 15° erreicht. Durchläuft die Sonne Zwischenstellungen, bewirken entsprechend ausgerichtete Reflektionswände R₁ und R₂ eine Fokussierung von den angrenzenden Streifen, wobei die bezüglich der Sonne unter spitzeren Winkeln liegenden Streifen geringere Beiträge leisten.

Die Streifen A, B, C, D können getrennt befestigt oder zur Bildung eines gekrümmten Refraktors einer Form entsprechend X oder Y (Fig. 3) miteinander verbunden sein. Fig. 4 zeigt einen Reflektor R₀, der an seinen oberen Enden entsprechende Nuten G₁ und Gp zur Aufnahme des Konzentratorstreifens aufweist. Die gesamte Anordnung umschließt den geradlinigen Bereich P.

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Fig. 5 zeigt die Fokussierung von Sonnenstrahlung mittels eines einfachen zylindrischen Konzentratorstreifens oder Fresnel-Linsen bei senkrechtem und bei schrägem Strahlungseinfall. Ein Rohr P befindet sich im Brennbereich des Streifens und nimmt alle senkrecht durch diesen hindurchtretende Strahlung auf. Bei schrägem Strahlungseinfall, etwa wenn ^C = 10 , 20 oder 30° ist, breitet sich der Brennbereich in kaustische Flächen aus und verschiebt sich vom Rohr P weg jeweils in die Stellung P-I₀' ^P20 ^{oder P}30*

Zylindrische Spiegel mit parabolischen oder kreisförmigen Profilen erzeugen ein ähnliches Muster von kaustischen Flächen, das sich ausbreitet und von der Achse weg verschiebt, wenn sich der Einfallwinkel vergrößert. Einige geringfügige Abweichungen vom senkrechten Strahlungsabfall, etwa von weniger als 10° können für Reflektoren mit geringer Konzentrationskraft, etwa in der Größenordnung von 2 bis 3, zugelassen werden, wodurch dann ein Betrieb im halbstationären Zustand möglich ist, d.h. es erfolgt statt einer kontinuierlichen Nachführung entsprechend der Bewegung der Sonne eine periodische Neuausrichtung, beispielsweise täglich, wöchentlich oder monatlich.

Durch gleichzeitige Verwendung eines Refraktorelementes, beispielsweise eines Konzentratorstreifens oder zylindrischer

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Fresnel-Linsen mit einem geeigneten trogförmigen Reflektor und mit entsprechender Anpassung der beiden optischen Elemente läßt sich ein ausreichender Toleranzbereich für schräg einfallende Strahlung erzielen, so daß ein vollständig stationärer Betrieb des Konzentrators während des gesamten Jahres möglich ist, ohne daß eine Anpassung an die tägliche oder jahreszeitlich bedingte Bewegung der Sonne erforderlich wäre.

Fig. 6 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der der Konzentrator aus einem Refraktorstreifen R und einem trogförmigen Reflektor besteht, der eine ebene Basis B und zylindrische Seitenabschnitte mit kreisförmigen Profilen C und D aufweist, deren Mittelpunkte C und D jeweils versetzt sind. Wie sich aus der Darstellung ergibt, ermöglicht diese verhältnismäßig einfache Anordnung eine Fokussierung-schräg einfallender Strahlung auf das Rohr P innerhalb eines Einfallwinkels von °£ - 30 , nachdem diese Strahlung durch den Refraktorstreifen R gebrochen und einmal von dem Wandabschnitt C oder D reflektiert ist.

Reflektorprofile aus komplizierteren Bogenformen, etwa elliptisch, spiralförmig, parabolisch oder evolventenförmig mit entsprechenden Basen, beispielsweise rund, spitz oder nach innen gewölbt, lassen sich mit Refraktoren verschiedener Formen benutzen, um höhere Konzentrationsverhältnisse und/oder größere Toleran-

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zen für den schrägen Einfall zu erzielen. Für das optische Verhalten unter speziellen Betriebsbedingungen muß der Reflektor an den Refraktor angepaßt sein, und vorzugsweise werden beide Elemente zusammen entworfen und gefertigt. In Fig. 2 ist ein Konzentrationsfaktor, d.h. ein Verhältnis von Reflektoröffnung zu Rohrdurchmesser von 6 dargestellt, doch können höhere Werte, etwa von 10 bis 15 bei Fokussiertoleranzen von Δ⁰^= -30° bis -30° erreicht werden. In einigen Anwendungsfällen ist die Verwendung von vertikal oder horizontal fluchtenden Absorberröhren vorteilhaft, da dadurch Einlaß- und Auslaßverbindungen nahe beieinander liegen können.

Zur Erzielung eines optimalen Betriebsverhaltens sollte der Reflektor dreiteilig sein und zwei symmetrisch zu beiden Seiten des linearen Bereiches angeordnete Seitenbereiche aufweisen, die eben, kreisbogenförmig oder anders gewölbt sind, und er sollte einen Bodenbereich haben, der die beiden Seitenbereiche im unteren Teil verbindet, jedoch eine andere Form und Krümmung hat. Dieser Bodenbereich kann eben (Fig. 6), kuppenförmig (Fig. 2) oder anderes gewölbt sein. Die genaue Form des Reflektors wird so gewählt, daß er zusammen mit den optischen Eigenschaften des Refraktors eine maximale Konzentration der Sonnenstrahlung auf den linearen Bereich ermöglicht. Eine Form gemäß Fig. 6 hat den Vorteil einer flacheren und kompakteren Ausbildung als die Formen gemäß Fig. 2 und

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Es sei darauf hingewiesen, daß eine Fokussiertoleranz von Δ©£ = -30°, die einem zulässigen Einfallswinkelbereich von 60° entspricht, für den stationären Betrieb eines Konzentrators in Sydney (34° südlicher Breite, wo der Zenitwinkel der Sonne am Sommersonnenwendpunkt 79 beträgt) während des gesamten Jahres ausreicht. Ein Konzentrator, dessen horizontale Achse in Ost-West-Richtung liegt und dessen vertikale Achse unter 49° zur horizontalen Achse geneigt ist, kann bei Sonnenständen von 19° bis 79° wirksam arbeiten. Bei einem Sonnenstand unterhalb 20° ist die die Erde erreichende Wärmemenge in jedem Fall vernachlässigbar klein und für praktische Anwendungszwecke nicht brauchbar. In den meisten europäischen und nordamerikanischen Bereichen (40° bis 50° nördlicher Breite), in denen der Sonnenstand 60° bis 65° nicht überschreitet, wäre eine Fokussiertoleranz von 20° bis 25° ausreichend. Die zylindrischen Konzentratoren können sehr einfach in Form von durchgehenden langen Trögen gebaut werden, um sie an Wänden, Balkons oder Markisen anzubringen, oder sie können zu Baueinheiten von für den Transport und die Montage geeigneter Größe vorgefertigt werden.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel für eine stationäre Einheit gemäß der Erfindung, die in ihren Abmessungen mit einem flachen Plattenabsorber (122 cm Länge, 76 cm Breite und 15 cm Höhe) vergleichbar ist, jedoch bei wesentlich geringeren Investitionskosten Fluide auf höhere Temperaturen erwärmt.

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Während in den Figuren jeweils einzelne die linearen Bereiche bildende Rohre dargestellt sind, können auch mehrere parallele Rohr im Bereich der Brennlinie des Refraktors angeordnet werden, wobei diese thermostatisch umgeschaltet werden, wenn sich die Hauptkonzentration der Sonnenstrahlung mit der Bewegung der Sonne bewegt.

Durch die Erfindung ergeben sich mehrere wesentliche Vorteile:

a) Wenn der Konzentrator stationär gehalten werden kann, sind keine bewegbaren Lagerungen und Getriebe und auch keine elektronischen Nachführ- und Steuersysteme erforderlich, was mechanische und wirtschaftliche Vorteile hat.

b) Die abgedichtete Hülle aus Refraktor und Reflektor (Fig. 4) vermindert die Wärmeverluste im geradlinigen Bereich, da die Windeinflüsse ausgeschaltet sind.

c) Die reflektierenden Flächen R und die Wärme absorbierende Oberfläche des Rohres P ist gegen Verschmutzung und Regen geschützt. Die glatten Außenflächen der Vorrichtung lassen sich in gewissem Umfang so ausbilden, daß sie sich infolge Wind und Regen selbst reinigen.

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d) Es lassen sich preiswerte und ohne weiteres zur Verfügung stehende Materialien verwenden, etwa Kunststoffe, beispielsweise Acrylharze oder Glas für die Konzentratorstreifen und etwa Aluminium, galvanisiertes Eisenblech oder Polystyrolschaum mit einer Beschichtung aus reflektierenden Klebstoffen für den Reflektor.

Entsprechende Längen von 1 oder 2 m der Konzentratorstreifen können im Extrudierverfahren oder im Druckgußverfahren ohne weiteres in großen Mengen hergestellt werden. Durch die Verwendung von verriegelnden Kanten entlang der Enden wird eine schnelle Montage zu durchgehenden Längen von Konzentratorstreifen möglich, wobei die Verbindung durch Metallstreifen oder Silikondichtungsmittel erfolgt.

Mit der stationären Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es auf billige Weise möglich, die Sonnenwärme geringer Intensität so zu konzentrieren, daß Temperaturen von 100 C bis 130C entstehen. Durch diesen Temperaturbereich, der sich mit flachen Plattenabsorbern, die bei 55°C bis 60°C arbeiten, nicht erreichen läßt, ergeben sich viele Anwendungsfälle in Industrie und Haushalt.

Mittels der Erfindung läßt sich somit Wasser erhitzen und unter hohem Druck stehender Dampf erzeugen. Infolge der durch-

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gehenden, verhältnismäßig leichten Konzentratorstreifen ergibt sich eine erhebliche Flexibilität in Anordnung und Befestigung. Während die schweren, flachen Plattenabsorber auf Dächern oder am Boden angeordnet werden mußten und starke Halterahmen erforderten, können die leichten und ästhetisch aussehenden Vorrichtungen gemäß der Erfindung an Wänden, Markisen und Balkons angebracht werden. Dadurch können entsprechende Wassererhitzer sogar in flachen Häusern eingesetzt werden, und für industrielle Zwecke können sie oberhalb senkrechter Bauten, etwa über Dächern oder Fabrikwänden montiert werden.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen lassen sich außerdem zur Absorptionskühlung, zum Betrieb von Klimaanlagen, zur Erzeugung von thermoelektrischer Energie u.a. einsetzen.

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Claims

Ansprüche

1. ) Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenstrahlung, gekennzeichnet durch einen Refraktor in Form mindestens eines Streifens aus transparentem Material/ der ein Muster paralleler, primatischer Nuten zum Brechen der auffallenden Sonnenstrahlung auf einen trogförmigen Reflektor aufweist, dessen öffnung von dem Streifen verschlossen ist, und durch einen im Reflektor vorgesehenen, sich parallel zur Achse des Streifens erstreckenden, geradlinigen Auftreffbereich für die Sonnenstrahlung, wobei die optischen Eigenschaften der Elemente derart gewählt sind, daß die Konzentration der Sonnenstrahlung ohne Nachführen der Vorrichtung entsprechend dem sich ändernden Sonnenstand erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor zwei zu beiden Seiten des Auftreffbereichs symmetrisch angeordnete Seitenbereiche sowie einen unterhalb des Auftreffbereiches befindlichen, die Seitenbereiche verbindenden Bodenbereich hat, dessen Form sich von der der Seitenbereiche unterscheidet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenbereiche des Reflektors jeweils kreisbogenförmig

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sind, daß die Mittelpunkte ihrer Kreisbogen an gegenüberliegenden Seiten der Achse des Streifens liegen, und daß der Bodenbereich im wesentlichen eben ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenbereiche eben und der Boden kuppenförmig ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Anzahl nebeneinander unter unterschiedlichen Winkeln angeordnete Streifen zur Fokussierung der Sonnenstrahlung auf den Auftreffbereich bei unterschiedlichen Sonnenständen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen einen gewölbten Refraktor bildend gekrümmt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen in Nuten befestigt ist, die sich entlang der Kanten des Reflektors erstrecken, so daß eine den Auftreffbereich umschließende Baueinheit gebildet ist.

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