DE2607509A1

DE2607509A1 - Solarkonzentratoren mit vorgebbarer energiedichteverteilung

Info

Publication number: DE2607509A1
Application number: DE19762607509
Authority: DE
Inventors: Johann Prof Dr I Kleinwaechter
Original assignee: Individual
Current assignee: Bomin Solar GmbH and Co KG
Priority date: 1976-02-25
Filing date: 1976-02-25
Publication date: 1977-09-01

Description

Titel der Erfindung:
Solarkonzentratoren mit vorgebbarer Energiedichteverteilung Patentbeschreibung Die grosse Bedeutung; die der direkten Gewinnung von Sonnenenergie für die Erzeugung hochgespannten Antriebsdampfes für Wärme- und Kältmaschinen sowie Wasserpumpen als auch für Prozesswarme hoher Temperatur oder/und die direkte Umwandlung in photovoltaische oder thermoelektrische Zellen in elektrische Energie in nächster Zukunft erlangen werden, haben zu der Entwicklung einer Reihe optischer Vorrichtungen, Konzentratoren genannt, geführt.
Diese verdichten im Mittel den einfallenden Sonnenlichtstrom mittels optischer firechung und Reflexion um einen Konzentrationsfaktor K, der erste bis zu mehreren Tausend erreichen kann. Dies wird praktisch mittels Fresnel-Linsen geringer Dicke und ebener oder parabolischer Zylinder- oder aotetionsspiegeln erreicht.
Nach den klassischen Gesetzen der Strahlungsoptik werden dabei die Lichtstrahlen der beinahe punktförmigen, unendlich weit entfernten Sonne mit den üblichen optischen Abbildungsfehlern in ein kreisscheiben- oder streifenförmiges Bild im Brennpunkt der potationsoptik btw. in die Brennlinien der Zylinderoptik konzentriert. Die Energiedichte in dem Fokussierungsgebiet ist stark inhomogen angonqhert durch eine Dirac-Fuhktion beschrieben. Auch bei einer defokussierten Einstellung der Brennweite ist die Strahlungsdichte auf dem flächenhaften Lichtabsorber - Capteur genannt - nicht homogen, sondern eine komplizierte Funktion der Parameter des Parabolspiegels.
Bei maximal zulässiger mittlerer Energiedichte der Einstrahlung treten daher an den Stellen der maximalen Energiedichte lokale thermische berlastungen des Capteurs auf, die das Capteurmaterial zusätzlich beanspruchen und eusserdem den Umwanderungswirkungsgrad verschlechtern.
Erfindungsgemäss werden daher für die Konzentration der einfallenden Sonnenstrahlen "semioptische" Linsen und Spiegel verwendet, die die punktförmig angenommene Sonnenscheibe nicht als Punkt, sondern als kreis- oder streifenförmige Fläche konstanter Beleuchtungsstärke und somit Energiedichte "abbildet". Dies wird erfindungsgemäss durch eine besondere funktionelle Abhängigkeit der Strahlbrechnung bzw.
-reflexion vom Ort erreicht, die für den Fall von Spiegelkonzentra toren durch die nachstehend hergeleitete Differentialgleichung beschrieben ist. Diese Differentialgleichung ist auch für die konstante Ausleuchtung des Kollektors nichtlinear und besitzt daher keine elementaren Lösungen. Somit ist diese semioptische Ausleuchtungsbedingung nicht durch die bisher verwendete kreis- und parabolförmige Brechungs- und Spiegelfläche erfüllbar.
Fig. 1 zeigt beispielsweise ,einen Lichtkonzentrator für eine homogene Ausleuchtung des Capteurs (1) mittels innenverspiegelten, besonders geformten Zylinderspiegeln(2). Den in konstanten Abständen gezeichneten einfallenden parallelen Sannenstrahlen (3) sind nach der Reflexion an (2) die konvergierenden Strahlen (4) zugeordnet, die auf den streifenförmigen Capteur in gleichen Abständen eintreffen.
Zur Verkleinerung der Bauhöhe können nach Fig. 2 erfindungsgemäss die Strahlen invertiert werden. Die mathematische Bedingung für das Profil des Ablenkspiegels ist erfindungsgemäss nach Fig. 3 durch die Differentialgleichung gegeben: Diese nichtlineare Differentialgleichung 1. Ordnung und 2. Grades hat selbst für den einfachsten Fall des Zylinderspiegels mit konstanter x Ausleuchtung - d.h. f(x) = Xc - keine elementare Lösung. Durch Wahl von f (x) ist sowohl bei Zylinder- als auch bei Rotationsspiegeln die Verteilung der Strahlungsdichte auf dem Capteur bestimmt.
Bei der graphischen Darstellung der Strahlenbundel für rotationssymmetrische Soienelkonzentratoren sind in Fia. 4 die einfallenden oarallelen Strahlen im Abstand mit i - 1,2,3 bis n gezeichnet, sodass die guerschnitte der in den Trichter einfallenden StrahlenbUndel Kreisringe gleicher Fläche darstellen. Nach Reflexion an den innenverspiegelten Trichter treffen bei homogener Ausleuchtung diese Lichtbündel ebenfalls in Kreisringe gleicher Fläche am Capteur ein. Anstells der homogenen Ausleuchtung kann aber auch sowohl beim Kreis- als auch beim Zylindertrichter eine beliebig vorgebbare Energiedichteverteilung am Capteur erreicht werden.
In Fig. 4 ist zwecks Verkleinerung der Trichterhöhe H die Strahlen folge "invertiert" worden, sodass erfindungsgemäss die homogen ausgeleuchtete Capteurscheibe keineswegs als eine übliche optische Abbildung der Sonnenscheibe dargestellt ist.
Fig. 5 zeigt einen Solar-Konzentrator mit vorgebbarer Energiedichteverteilung mit Fresnellinsen als Strahlablenkung. Auch hier kann durch geeignete Abhängigkeit des Brechungswinkels vom Padius eine "invertierte Abbildung" der Sonnenscheibe erreicht werden, die eine Reduktion der Bauhöhe H ermöglicht.
Fig. 6 zeigt den Mechanismus zur automatischen Nachfphrung der Solartrichter, sodass die Trichterachse stets in Richtung der Sonne zeigt.
Der Trichter wird dazu um die zur Rotationsachse der Erde parallele siderische Achse (5) mit einem Synchronmotor mit 3600 pro 24 Stunden und durch HandverstelXlng je nach Jahreszeit um die saisonale Achse (6) verdreht. Zum Schutz gegen Verschmutzung und Vereisung der Innenspiegel ist die Trichteröffnung mit einer durchsichtigen elastischen Kunststoffolie überzogen, die durch Luftdruckschwankungen im Trichter die sich bildende Eisschichten abwerfen kann. Zwecks Verbilligung der Herstellung und des Transportes wird der rotationsförmige Trichter aus kleineren Sektoren zusammengesetzt.
In Fig. 7 ist die matrizenartige Anordnung von identischen Trichterkonzentratoren dargestellt, die mittels Schneckengetrieben und Kopplungsachsen mechanisch von einem einzigen Sychronmotor getrieben werden.

Claims

Patentansprüche f Solarkonzentrator zur Erhöhung der Energiedichte am Capteur, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenablenkenden Systeme so gestaltet sind, dass die Energiedichte am Capteur eine für die Umwandlung der absorbierten Strahlungsenergie in Wärme und/oder elektrische Energie günstigste Ortsfunktion erhält.
2. Solarkonzentrator zur Erhöhung der Energiedichte nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenablenkendsn Systeme aus Zylinderspiegeln bestehen, deren Basislinie der Differentialgleichung entspricht.
3. Solarkonzentrator zur Erhöhung der Energiedichte nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenablenksystem aus einem Potationsspiegel besteht, dessen Meridianschn itt der Differentialgleichung entspricht.
4. Solarkonzentrator zur Erhöhung der Energiedichte nach Anspruch 1) und Z), dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion f (x) so gewählt ist, dass sich die zu konzentrierenden Strahlen nach der Reflexion kreuzen und dadurch eine Verkürzung des Lichttrichters ermöglichen.
5. Solarkonzentrator zur Erhöhung der Energiedichte nach Anspruch 1) und'3), dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion f(x) so gewählt ist, dass sich die zu konzentrierenden Strahlen kreuzen, sodass die achsenfernsten Strahlen in die Mitte und die achsennächsten Strahlen an den Rand des kreisförmigen Capteurs gelangen.
6. Solarkonzentrator zur Erhöhung der Energiedichte nach Anspruch 1) bis 5), dadurch gekennzeichnet, dass der trichterförmige Lichteingangsquerschnitt durch eine lichtdurchlässige flexible Membran gebildet wird, die durch Luftdruckschwankungen die Entfernung des Eisbelages ermöglicht und die Spiegeloptik vor Verschmutzung schützt.
7. Solarkonzentrator zur Erhöhung der Energiedichte nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass das strahlenablenkende System aus einer Fresnel schen Linse besteht.
8. Solarkonzentrator zur Erhöhung der Energiedichte grosser Abmessungen und Anzahl nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsspiegelflachen aus einzelnen Sektoren bestehen, die rsumsparend transportiert und am Aufstellungsort zusammengesetzt werden können und die in zeilen- oder matrizenförmiger Aufstellung durch einen einzigen Antriebsmotor und manusll saisonalem Elerationswinkel azimutal mit 3600/Tag um eine siderische Achse angetrieben werden, sodass ihre Rotationsachssn stets in Richtung Sonne zeigen.