DE2730562A1

DE2730562A1 - Sonnenstrahlungsempfaenger

Info

Publication number: DE2730562A1
Application number: DE19772730562
Authority: DE
Inventors: Barnard Devin; Michel Giullemot
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1976-07-06
Filing date: 1977-07-06
Publication date: 1978-01-19
Also published as: FR2357834B1; IT1076080B; ES460196A1; FR2357834A1; US4148564A; GB1558901A

Description

Sonnenstrahlungsempfänger

Die Erfindung betrifft einen Sonnenstrahlungsempfänger mit linearer Konzentration bzw. Wirksamkeit, dessen Empfänger feststeht und dessen Spiegel bewegbar sind.

Man kennt Sonnenstrahlungsempfänger mit einer linearen
Konzentration, die eine Gesamtheit von Grundspiegeln aufweisen, welche von einem zylinderförmigen Abschnitt abgestützt werden und deren Orientierung so ist, daß die Sonnenstrahlen, die sie reflektieren, auf einen Bereich gerichtet sind, der sich in der Nähe der Erzeugenden dieses Zylinders befindet. Der Empfänger, der linear ausgebildet ist, ist längs dieses Bereiches angeordnet. Die Grundspiegel können plan sein, wobei dann der Bereich, in dem sich

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die reflektierten Strahlen schneiden praktisch die gleiche Breite aufweist wie ein Grundspiegel. Jedoch können die Spiegel vorteilhafterweise fokussierend sein und vorzugsweise Zylinderspiegel sein, wobei dann der Bereich, in dem sich die Sonnenstrahlen schneiden, eine Brennlinie bildet.

Bei dieser Art von Sonnenstrahlungsenipfängern ist die Gesamtheit der Spiegel fest und der Bereich, in dem sich die reflektierten Strahlen schneiden bewegt sich, wenn sich die Sonnenstellung ändert. Um mit dieser Vorrichtung trotz der Änderung der Sonnenstellung eine konstante Wirksamkeit zu erzielen, ist es notwendig, daß der Empfänger beweglich ist, was zu Nachteilen in bezug auf die Verbindungen, die Abdichtung der Fluidverbindungen, usw. führt.

Es sind auch Sonnenstrahlungsempfänger mit einer linearen Konzentration bekannt, die einen einzigen fokussierenden Spiegel und einen fest mit dem Spiegel verbundenen Empfänger umfassen. Um der Änderung der Sonnenstellung Eechnun-v zu tragen kann die Gesamtheit Spiegel-Empfänger ausgerichtet werden. Jedoch ist in diesem Fall der Empfänger nicht stationär in bezug auf die gesamte Einrichtung angeordnet, so daß bei den Verbindungen und im Hinblick auf die Abdichtung Schwierigkeiten auftreten.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe einen Sonnenstrahlungsempfänger zu schaffen, dessen Empfänger beweglich ist. Dies wird dadurch erreicht, daß geeignete Kittel verwendet werden, um die Gesamtheit der Grundspiegel mit einer Rollbewegung ohne Gleiten so zu drehen, daß der Bereich, auf den die reflektierten Strahlen gerichtet sind, in bezug auf die Gesamtheit der Vorrichtung unverändert bleibt.

Die Mittel zur Lageänderung der Gesamtheit der Grundspiegel, die nach der Erfindung vorgesehen sind, können unabhängig

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davon, welche Art von segiaentierten Spiegeln verwendet wird, land insbesondere ob sie plan oder zylindrisch sind, angewandt werden.

Der Sonnenstrahlungseinpfänger gemäß der Erfindung wird durch zwei Varianten dargestellt: Die erste ist dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel..,umfaßt, die gestatten, den Zylinderabschnitt der Spiegelabstützung auf einem Zylinderabschnitt zu rollen ohne zu gleiten, dessen Radius gleich dem Durchmesser des ersten Zylinders ist und dessen Achse mit dem linear ausgebildeten Empfänger zusammenfällt. Die zweite Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderabschnitt der Spiegelabstützung kraftschlüssig mit einem Zylinderabschnitt verbunden ist, dessen Radius gleich dem Durchmesser des ersten Zylinders ist und der auf einer Ebene ab rollt ohne zu gleiten.

Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung v/erden besser aufgrund der folgenden Beschreibung deutlich, wobei Ausführungsfomen in beispielhafter V/eise und unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine geometrische Darstellung, die einige Eigenschaften von segmentierten, zylindrischen Spiegeln betrifft,

Fig. 2 eine geometrische Darstellung, die die erste Variante der Erfindung zeigt, bei der der Stützzylinder der Spiegel in einem Zylinder mit doppeltem Radius abrollt ohne zu gleiten,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Sonnenstrahlungsempfängers der ersten Variante,

Fig. 4- a und b zwei Ausführungsformen der Mittel, um den Stützzylinder in den zweiten Zylinder zu rollen, ohne daß er gleitet,

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ORIGINAL INSPECTED

Fig. 5 eine geometrische Darstellung der zweiten Variante nach der Erfindung, "bei der der Stütz zylinder kraftschlüssig mit einem Zylinder von doppeltem Radius verbunden ist, der auf einer Ebene rollt ohne zu gleiten, und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung des Sonnenstrahlungsempfängers der zweiten Variante.

In Fig. 1 ist das Prinzip der Wirkungsweise von Sonnenstrahlungsempfängern mit segmentierten Spiegeln dargestellt. Sie entspricht dem besonderen Fall, bei dem die Spiegel zylinderförmig sind und einen Krümmungsradius haben, der doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Stützzylinders der Spiegel, jedoch trifft sie auch dem Prinzip nach bei Sonnenstrahlungsempfängern mit Planspiegeln zu.

Gemäß dieser Figur sind die Spiegel Hq, II, N auf einem Kreis C mit dem Hittelpunkt 0 angeordnet. Der Spiegel Kq verläuft tangential zum Kreis G und wird als Crundspiecel bezeichnet. Wenn man mit oC den Zentrumswinkel bezeichnet, der die Lage eines Spiegels M in bezug auf den Durchmesser M₀ definiert, bildet die Tangentialebene am Spiegel ΓΙ mit der Richtung des Grundspiegels einen Winkel «^/4-. Natürlich kann irgendeine Anzahl von Spiegeln H und N auf der einen oder anderen Seite des Grundspiegels PL angeordnet sein. Jeder Spiegel hat einen Krümmungsradius, der gleich dem doppelten des Durchmessers des Kreises C ist. Die einfallenden Lichtstrahlen, die die Richtung D^. parallel zum Durchmesser OH_Q haben, werden in einen Punkt P fokussiert. Der Punkt P liegt auf dem Kreis C, da der Wert des Winkels MqPM gleich e<- /2 beträgt, da dieser Winkel in dem Kreis C eingeschrieben ist. Venn die Spiegel plan wären, erhielte man nicht einen Brennpunkt bei ?, sondern einen Bereich, in dem sich die reflektierten Strahlen schneiden, und in diesem Fall wäre die Breite dieses Bereiches gleich der

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Breite des Spiegels.

Wenn sich die Hichtung der einfallenden Lichtstrahlen um einen Winkel β ändert und von D, zu D^ gelangt, werden die von dem Spiegel M reflektierten Lichtstrahlen in einem Punkt P¹ fokussiert, der von P unterschiedlich ist, wenn die Spiegel fest sind, aber der auch auf dem Kreis C liegt, da der Winkel MqP¹M den Wert 06/2 beibehält.

Bekanntermaßen wird der Empfänger längs der Fokussierungslinie angeordnet, woraus sich seine Verschiebung ergibt, wenn sich die Sonnenstellung ändert. Es müssen deshalb Mittel vorgesehen werden, um dem Empfänger aus der Stellung P in die Stellung P¹ zu bringen. Die vorliegende Erfindung ersetzt diese Mittel der Verschiebung des Empfängers durch Mittel zur Lageänderung der Gesamtheit der Spiegel derart, daß der Empfänger unbeweglich gehalten werden kann.

Gemäß einer ersten Ausführungsforin sind diese Hittel geeignet, den Zylinderabschnitt, der die Spiegel stützt, auf einem zweiten Abschnitt eines Zylinders, dessen Radius gleich dem Durchmesser des StützZylinders ist, rollen zu lassen ohne zu gleiten. Die besonderen Eigenschaften dieser Vorrichtung werden anhand der geometrischen Darstellung in Fig. 2 dargestellt.

In dieser Figur ist der Einfachheit halber einer der Spiegel dargestellt. Er befindet sich in der Lage M,., wenn die einfallenden Sonnenstrahlen die Richtung D,- haben und in der Lage M₂, wenn die Sonnenstrahlen die Richtung D₂ aufweisen. Die Richtungen D^ und D« bilden zwischen sich einen Winkel ß . Wenn die einfallenden Lichtstrahlen die Richtung D_x. haben, hat der Kreis, der einen geraden Schnitt des Zylinders, der die Spiegel stützt, darstellt, die Lage C_x. und sein Mittelpunkt liegt im (L·. Die von dem zylindrischen

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Spiegel I'L reflektierten Lichtstrahlen werden in P fokussiert, der zu dem'Kreis CL gehört. Dieser Kreis kann ohne Gleiten auf einem Kreis C mit Mittelpunkt P und einem Radius, der gleich dem Durchmesser des Kreises C* ist, rollen. Wenn sich die Stellung der Sonne geändert hat, ändert sich die Richtung der Lichtstrahlen von D^, zu Dp. Der Kreis C^ kommt dann "bei dieser Rollbewegung ohne zu gleiten nach Cp und sein Mittelpunkt O gelangt nach O₂- Der Spiegel, der mit dem Kreis verbunden ist, gelangt von der Stellung M^ in die Stellung M₂.

Man weiß, daß ein mit einem Kreis C verbundener Punkt, der ohne zu gleiten auf einem Kreis C¹ mit doppeltem Radius und im Inneren des Kreises rollt, einen Durchmesser des Kreises C¹ beschreibt. Der Mittelpunkt des Spiegels, der mit dem Kreis C verbunden ist, verschiebt sich infolgedessen längs eines Durchmessers des Kreises C¹, wenn er aus der Lage M^, auf C^ in die Lage M~ auf Cp gelangt. Der Punkt P, der der Mittelpunkt des großes Kreises C ist, bleibt bei dieser Bewegung fest. Der Spiegel verschv/enkt sich um einen gewissen Winkel, wenn er von IL nach Mp gelangt und die von ihm reflektierten Lichtstrahlen sind einer Ablenkung um einen doppelten Winkel unterworfen.

Wenn man bei den reflektierten Strahlen die Richtung derart bewahren will, daß der Punkt P, d.h. der Empfänger stets die reflektierten Lichtstrahlen empfängt, die aus einer unveränderten Richtung herkommen, wenn die Sonnenstrahlen ihren Einfall haben, der sich um einen Winkel β beim Übergang von der Richtung D^ zur Richtung D₂ ändert, ist es notwendig, den Stützkreis des Spiegels um einen Winkel β /2 zu rollen.2s ist diese Bewegung, die durch die geeigneten Mittel erzielt wird, die durch die Fig. 3 und 4- beschrieben werden.

Der in Fig. 3 dargestellte Sonnenstrahlungsempfänger um-

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faßt eine Vielzahl von Spiegeln, die rait Nq (Grundspiegel) M^,Mp,Mz usvi. bezeichnet sind. Diese Spiegel sind auf einer UnterStützung 3 derart befestigt, daß sie auf einen Abschnitt des Zylinders 2 angeordnet sind. Die Wiege 10, die kraftschlüssig mit der Unterstützung 3 verbunden ist, weist eine Unterfläche 12 auf, die den Abschnitt des Zylinders 2 bildet und die auf der zylindrischen Fläche 14 einer Wiege rollt ohne zu gleiten. Der Krümmungsradius; der Fläche 14 ist gleich dem doppelten Krümmungsradius des Abschnittes 12, vrobei sich die beiden Mittelpunkte in bezug auf die Berührungserzeugende auf derselben Seite befinden. In der Normalstellung geht die Haupterzeugende des Grundspiegels Mq durch den Berührungsbereich der beiden Wiegen 10 und 16. Selbstverständlich ist eine gleiche Anordnung am anderen Ende des Spiegels vorgesehen. Der linear ausgebildete Empfänger 18 ist auf der Achse 4 des Zylinders angeordnet, der der Fläche 14- entspricht. Wie es bereits oben erläutert wurde, ist der Empfänger absolut unbeweglich, da er eine feste Lage einnimmt und die reflektierten Strahlen aus einer Richtung empfängt, die unabhängig von der Stellung der Sonne ist, wodurch ein Einstellen oder Ausrichten vermieden wird.

Das Abrollen ohne Gleiten der Wiege 10 auf dem Abschnitt des Zylinders 16 kann durch irgendein bekanntes Mittel erreicht werden und insbesondere durch fest mit jedem der Teile 10 und 16 verbundene Zähne und einen Motor, der die Drehung der Wiege 10 steuert. Jedoch nach einer vorteilhaften Ausführungsform verwendet man die bereits angegebene Eigenschaft, der zufolge ein mit einem Kreis verbundener Punkt, der auf einem Kreis mit doppeltem Krümmungsradius rollt, ohne zu gleiten, sich längs eines Durchmessers des großen Kreises verschiebt. Deshalb umfassen die Mittel zur Lageänderung gemäß einer ersten Ausführungsform, die in der Fig. 4a dargestellt ist, eine Stange 20, die mit einem Ring 22 endet und längs eines Durchmessers D des Abschnittes des Zylinders 14 angeordnet ist. Die Drehachse des Ringes

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fällt mit einer Erzeugenden des kleinen Zylinders 12 zusammen. Die Stange 20 wird über einen Motor 24, der ein System Ritzel-Zahnstange 26 betätigt, zu einer translatorischen Bewegung längs des Durchmessers D angetrieben. Da der Hing geradlinig längs des Durchmessers D des großen Kreises durch die Stange 20 bewegt wird, folgt der an dem Zylinder 12 festliegende Drehpunkt dem Durchmesser D, was bedeutet, daß der Abschnitt des Zylinders 10 auf den Abschnittt des Zylinders 16 abrollt ohne zu gleiten.

In der Fig. 4-b ist eine zweite Ausführungsform von Mitteln zur Lageveränderung dargestellt, die auch aus einem System Ritzel-Zahnstange 28-50 besteht, wobei das Ritzel 28 auf einer Erzeugenden des kleinen Zylinders 12 drehbar angeordnet ist, während die Zahnstange 30 an dem großen Zylinder 1 bliest und parallel zu einem Durchmesser von ihm angeordnet ist.

Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um ein Abrollen ohne gleiten eines Abschnittes des Zylinders, dessen Radius gleich dem Durchmesser des Zylinders zum Stützen der Spiegel ist, tangential zu diesem Stützzylinder auf einer Ebene zu bewirken. In der Fig. 5 ist.eine geometrische Darstellung gegeben, die die Arbeitsvreise dieser Ausführungsform erklärt.

In einer ersten Lage nimmt die Linie des großen Zylinders in der Figurenebene die Lage C^ und die Linie des kleinen Zylinders die Lage C^ ein. Die Sonnenstrahlen kommen aus der Richtung D^ und werden in P fokussiert. In einer zweiten Lage gelangt der große Zylinder nach C'₂ durch Abrollen auf der Ebene 34 ohne zu gleiten. Der kleine Zylinder, der fest mit dem großen verbunden ist, kommt in die Lage Cp. Die Sonnenstrahlen kommen dann aus der Richtung C₂. Jeder Spiegel beschreibt eine cycloidale Kurve bei dieser Bewegung und gelangt von einer Anfangslage M^ in eine Endlage Kp.

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Geometrische Überlegungen zeigen, daß, wenn der Zylinder auf der horizontalen Ebene 34 abrollt ohne zu gleiten, die reflektierten Strahlen noch in der Nähe des Puntes P konvergieren, der im wesentlichen fest bleibt, zumindest in erster Näherung.

Bei dieser zweiten Ausführungsform ist der Strahlungsempfänger in Wirklichkeit so ausgebildet, wie er in der Pig. 6 dargestellt ist. Die Wiege 36, die die Spiegel trägt, ist fest mit einer Wiege 38 verbunden, deren Unterfläche 40 einen Krümmungsradius aufweist, der gleich dem Durchmesser des Zylinders ist, der die Spiegel stützt, und die tangential zu diesem Zylinder längs der Haupterzeugenden des Grundspiegels verläuft. Diese Fläche 40 rollt ohne zu gleiten auf einer Stützebene 42 ab. Die Bewegung kann mit Hilfe von Zähnen, die fest an dem Zylinder und der Ebene angeordnet sind, und eines Motors erreicht werden, v/elcher die Drehung der Wiege 38 hervorruft. Der Empfänger 44 nimmt eine feste Lage ein und kann fest an einem Gerüst 46 angeordnet v/erden, welches mit der Stützfläche 42 verbunden ist.

Bei den beiden Ausführungsformen, die beschrieben wurden, kann die Bewegung zur Lageveränderung der Gesamtheit der Spiegel durch einen Motor bewirkt werden, der entsprechend der Stellung der Sonne gesteuert wird. Diese Mittel sind hier nicht beschrieben, da sie im allgemeinen bekannt und nicht Teil dieser Erfindung sind. Es kann hier kurz darauf hingewiesen werden, daß es sich um einen typischen bekannten Sonnenstrahlungsempfänger handeln kann, beispielsweise von der Art eines Heliographen, der ein Fehlersignal abgibt, welches proportional der Abweichung zwischen der Richtung, aus der die Sonnenstrahlen kommen, und einer Bezugsrichtung ist. Das Signal steuert den Motor, der auf die zu bewegenden Zylinder wirkt.

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Die Steuerung der Bewegung der Spiegel in Abhängigkeit von der Stellung der Sonne kann entweder fortwährend vorgenommen werden, wobei dann die Gesamtheit der Spiegel einer fortwährenden Drehung unterworfen ist, oder in einer unterbrochenen V/eise , wobei die Gesamtheit der Spiegel nur zu gewissen Zeitpunkten verändert wird, beispielsweise ein oder mehrere Male pro Tag in Abhängigkeit von der Änderung der täglichen Deümation der Sonne, oder in Intervallen von einigen Tagen in Abhängigkeit von der Änderung der jahreszeitlichen DeHination der Sonne.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER at-ma K. SCHUMANN OR HER NAT ■ OM.-MV& P. H. JAKOB G. BEZOLD 8 MÜNCHEN 22 MAXIMILIANSTRASSE 43 ρ 11 771 Patentansprüche

1.] Sonnenstrahlungsenpfanger mit linearer Konzentrat!on, der eine Gesamtheit von segmentierten Grundspiegeln tunfaßt, die längs der erzeugenden eines Zylinderabschnittes angeordnet sind und die Sonnenstrahlen in einen Bereich lenken, 'der sich in der Nähe einer Erzeugenden des Zylinders befindet, wobei ein linear ausgebildeter Empfänger in diesem Bereich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (18,44) unbeweglich ist und daß Kittel vorgesehen sind, durch die an der Gesamtheit der Spiegel (Mq ,!!^Mg. · .N^ ,1Tg,.. *) eine Abrollbewegung ohne Gleiten erzeugbar ist, wobei der Bereich (P) auf den die reflektierten Strahlen gerichtet sind, unbeweglich bleibt, und daß die Richtung der reflektierten Strahlen unverändert bleibt, wenn sich die Stellung der Sonne ändert.

2. Sonnenstrahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kittel (20,22,26;28,30) vorgesehen sind, durch die der Abschnitt (12) des Stütz Zylinders (10) der Spiegel auf einem zweiten Abschnitt (140 eines festen Zylinders (16), dessen Radius gleich dem Durchmesser des Stütz-

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zylinders (10) der Spiegel ist und dessen Achse mit der des Empfängers (18,44) zusammenfällt, ohne Gleiten abrollbar ist.

3. Sonnenstrahlungsempfanger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (36) des Zylinders, der die Spiegel (Mq₁M_x, ,Mp, · · -I^ ,N₂, · · · ) trägt, fest mit einem zweiten Abschnitt (38) eines Zylinders verbunden ist, dessen Radius doppelt so groß wie der des ersten ist und der tangential zum ersten Zylinder verläuft, wobei der zweite Abschnitt (38) des Zylinders mit Mitteln (20,26;28,30) ausgebildet ist, durch die von ihm eine Abrollbewegung ohne Gleiten auf einer Ebene (42) durchführbar ist.

4. Sonnenstrahlungsempfänger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundspiegel (Mq, M,, ,M₂,.. .ILj ,iU...) plan sind.

5· Sonnenstrahlungsempfanger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundspiegel (Mq₁M,, ,M₂, ♦ · · .N,- ,Np,...) fokussierend sind.

6. Sonnenstrahlungsempf anger nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (M_Q,M^ ,M₂, · · -N^ ,1T₂* · ·) zylinderfönaig sind und einen Radius haben, der gleich dem doppelten Durchmesser des sie stützenden Zylinders ist.

7· Sonnenstrahlungsempfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (20",22,26;28,30) geeignet sind, einen Punkt einer Erzeugenden des Zylinders (12) der die Spiegel stützt, längs eines Durchmessers (D) des festen Zylinders (16) mit doppeltem Radius zu bewegen.

8. Sonnenstrahlungsempfänger nach Anspruch 7 * dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (20,26;28,30) eine Ritzel-Zahnstangenanordnung (20,26;,28,30) umfassen.

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