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knlaga;zur Gewinnung und/oder ^utzang der Sonnenenergie.
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Die Erfindung betrifft Anlagen zur Gerinnung und/oder Nutzung der
Sonnenenergie, bestehend aus einer Vielzahl von auf einer horizontalen Bezugsplattform
angeordneten Reflektorflachen zur Einstrahlung und/oder FonzertrStion der Strahlungsenergie
in einem Empfängersystem.
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Das Ziel einer jeden technischen Entwicklung ist, mit weniger Aufwand
mehr leistung zu erreichen. Die Leistungsfähigkeit von Anlagen zur Sonnenenergiegewinnung
ist im Wesentlichen von dem Wirkungsgrad der Strahlungsfsnger abhängig. Dabei ist
der Aufwand zu beurteilen, mit dem der Wirkungsgrad erbracht wird.
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Die bis heute bekannten Anlagen zur Sonnenenergiegewinnung arbeiten,
soweit sie eine Vielzahl von Reflektorflächen zur Energieverdichtung einsetzen,
mit zweiachsig drehbaren Nachführanlagen ('Heliostate") zur Nachführung entsprechend
dem veränderten Stand der Sonne Dabei kommen die Reflektorflächen in Abhängigkeit
vom Stand der Sonne mit sehr unterschiedlichen Wirkungsgraden zum Einsatz und haben,
da der Schattenwurf um die Reflektorflächen herumwandert, einen großen Grundflächenbedarf.
Großanlagen haben Einstrahlungsflächen von mehreren hunderttausend Quadratmetern.
Es ist daher erforderlich, um die Sonnenenergie in der Nähe von Großstädten einzusetzen,
den Grundflächenbedarf zu reduzieren. Auch bei Kleinanlagen, die beispielsweise
auf Flachdächern errichtet werden, muß ein minimaler Grundflächenbedarf erzielt
werden.
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Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Präzision einer Anlage zur Sonnenenergiegewinnung,
die um so größer ist, je kürzer die Reflexionslängen sind.
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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, 1. die leistungsfähigkeit
von Anlagen zur Sonnenenergiegewinnung durch eine Erhöhung des Wirkungsgrades der
Reflektoren zu steigern 2. bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades der
Reflektoren den technischen Aufwand für die Nachführung der Reflektorflächen zu
vermindern 3. durch ein verbessertes Nachführsystem den Grundflachenbedarf von Anlagen
zur Sonnenenergiegewinnung zu reduzieren 4. durch eine Verkürzung der Reflexionslängen
die Genauigkeit von Konzentrationssystemen zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Winkel
zwischen Strahlungseinfall und dem reflektierten Strahl bezogen auf den Azimut konstant
bleibt und die Reflektorflächen auf einer um eine vertikale Achse drehbaren und
in einem Auftriebsmedium schwimmenden oder mit einem Schwimmkörper in Verbindung
stehenden Bezugsplattform angeordnet werden und daß diese im Horizontalkreis so
nachgeführt wird, daß die Schatten des Empfängers und der Reflektoren auf der Plattform
immer in die gleiche Richtung fallen und mit Hilfe dieser Parameter eine verdichtete
Aufstellung der Reflektorflächen ermöglicht und damit eine Minimalisierung der überbauten
Grundflache und kürzeste Reflexionslangen erzielt werden.
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Durch die Anordnung der Reflektoren auf einer um eine vertikale Achse
drehbaren Plattform bleibt der Winkel, bezogen auf den Horizontalkreis, zwischen
Einfalls- und Ausfallsrichtung konstant, wenn die Plattform so nachgeführt wird,
daß die Schatten grundsätzlich auf der Plattform in die gleiche Richtung fallen.
Dies erlaubt, die
einzelnen Reflektorflächen nur in einer Richtung
oder überhaupt nicht nachzuführen und bedeutet, daß der Wirkungsgrad der Reflektoren
bezogen auf den Azimut konstant bleibt und durch die Anordnungsart alif der Bezugsplattform
optimierbar ist. Da die Schatten nur in eine Richtung fallen, braucht auch nur in
einerRichtung des Schattenwurfes ein Abstand zwischen den Reflektoren vorgesehen
zu werden. Dies erlaubt die verdichtetere Anordnungder Reflektoren auf der drehbaren
Bezugsplattform gegenüber der ortsfesten Anordnung und Einzelnachführung von Reflektoren.
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Der Wirkungsgrad einer Reflektorfläche wird aus dem Verhältnis zwischen
Reflektorgröße und der GröBe des reflektierten Abbildes bestimmt. Je spitzer der
Winkel zwischen Strahlungseinfall und Strahlungsausfall ist, desto größer ist der
Wirkungsgrad der Reflektorfläche. Er ist 100 %, wenn Ausfallsrichtung gleich Einfallsrichtung
ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine derartige Anordnung der Reflektoren,
durch die der Wirkungsgrad des gesamten Strahlungsfängersystems gesteigert wird.
Die Bezugsplattform wird 80 ausgebildet, daß alle Reflektoren und/oder die Empfänger
unter einem optimalen Wirkungsgrad zum Einsatz kommen. Das Anordnungssystem der
Reflektoren und deren Ausbildung ist im Wesentlichen von der Art des Empfängers
oder Kollektors abhängig, in den die Energie eingestrahlt wird.
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Es werden mehrere Vorschläge zur Lösung der gestellten Aufgabe gemacht.
Dabei gibt es grundsätzlich drei verschiedene Anordnungsßysteme von Reflektoren
und Empfängern.
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1) Empfängersysteme (Kollektoren), die auf den Sonnenstand ausgerichtet
sind und durch parallel angeordnete Reflektorflächen eine verdichtete Einstrahlungsintensität
erhalten. (Fig. 1 u. 2)
2) Punktförmige Zentralempfängersysteme,
die oberhalb aer Refletorflächen angeordnet sind. (Fig. 3 -u. 4) 3) Diametrale Empfängersysteme,
die parallel und oberhalb der in langen Reihen aufgesteliten Reflektorflächen angeordnet
sind. (Fig. 5 bis 10) Typ 1 und 3 haben den Vorteil, daß die Einstrahlung grundsatzlich
senkrecht auf einer definierten, horizontalen Bezugslinie steht. Dadurch erfolgt
eine Verminderung des Wirkungsgrades ausschließlich durch die Neigung der Reflektorflachen
in einer Richtung.
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Durch die sheddachahnliche Anordnung von Kollektor und Reflektor in
Fig. 1 und 2 auf der drehbaren Plattform, wird es auf einfache Weise erstmalig möglich,
ohne Einzelnachführung der Reflektoren die Einstrahlungsdichte im Kollektor zu steigern
und damit auch bei Flachkollektoren höhere Temperaturen zu erzielen.
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Bei den punktförmigen und bei den diametralen Empfänger systemen kann
die Einstrahlungsdichte im Empfänger bei gleicher Reflektorenzahl dadurch gesteigert
werden, daß der Empfänger außermittig und vor dem größeren Teil des Reflektorfeldes
angeordnet wird, so daß sich zwischen Einfalls-und Ausfallsrichtung ein möglichst
spitzer Winkel ergibt.
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Während bei dem punktförmigen Zentralempfängersystem der Turm ortsfest
angeordnet ist und sich das Reflektorfeld um diesen herum bewegt, steht bei dem
Diametral-Empfanger-und dem Kollektorsystem in Fig. 1 und 2 der Empfänger in Veibindung
mit der drehbaren Plattform und wird mit den Reflektorflächen im Horizontalkreis
dem Azimut der Sonne nachgeführt.
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Erfindungswesentlich ist die Anordnung der Refletoren auf einem schwimmenden
Fundament. Dies erspart 1. ein aufwendiges Rollensystem zur Drehung der 3ezugsplattform
und 2. ermöglicht mit geringerem Aufwand eine präzisere oacführung. (s. Patentanmeldung
P 2R 01 664.0 ) 3. Der Schwimmkörper läßt sich in nahezu unbeschränkter Größe herstellen.
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4. Da durch das Auftriebsmedium keine punktförmige Be lastung sondern
nur eine gleichmäßige Flächenbelastung des Untergrundes erfolgt, läßt sich die Anlage
überall, beispielsweise auch auf dem Flachdach eines Gebäudes errichten.
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5. Das Auftriebsmedium kann gleichzeitig als Wärmespeichermedium verwendet
werden. (s. Patentanmeldung P 28 Öl 69.R ) In Fig. 8 bis 10 ist ein Sonderfall dargestellt.
Hier wird anstelle des zentralen Energiewandlers ein parabolartiger Zentralreflektor
angeordnet, wobei sich der Energiewandler an einer beliebigen Stelle unterhalb des
Reflektors befindet. Diese Anordnung bringt ganz erhebliche Vorteile mit sich: Der
Empfänger kann, wie in diesem Beispiel dargestellt, direkt in dem als Wärmespeicher
dienendem Auftriebsmedium angeordnet werden. Dadurch entfallen nahezu alle Abstrahlungs-und
Absorbtionsverluste einschließlich der Wärmeverluste auf dem Transportweg zum Speicher.
Der Energiewandler unterliegt keinerlei Anlaufzeit und bringt auch bei wechselnder
Bewölkung Spitzentemperaturen. Ein sonst üblicher Warmeaustauscher kann entfallen.
Damit entfallen auch die mit dem Wärmeaustausch verbundenen Energieverluste von
ca 30 .
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Das System setzt einen hohen Genauigkeitsgrad in der Nachführung voraus,
der jedoch durch die einfache Nachführung leicht erbracht werden kann.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden aus der detaillietter.
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Figurenbeschreibung ersichtlich.
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Es zeigen: Fig. 1: einen Querschnitt durch ein "distributed System"
in shedüachförmiger Anordnung mit parabolartigen zylindrischen Kollektoren Fig.
2: wie Fig. 1, jedoch mit FlachKolletoren Fig. 3: die Aufsicht auf das Nachführsystem
einer punktförmigen Zentralempfangeranlage Fig. 4: den Querschnitt durch ein punktförmiges
Zentralempfangersystem mit den schematisch eingezeichneten Reflektorflächen Fig.
5: den Horizontalschnitt durch eine Parallelanlage, mit der Aufsicht auf die auf
der Bezugsplattform angeordneten Reflektorflächen.
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Fig. 6: den Vertikalschnitt zu Fig. 5 senkrecht zu den Reflektorflächen.
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Fig. 7: den Vertikalschnitt zu Fig. 5 parallel zu den Reflektorflächen.
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Fig. 8: Vertikalschnitt durch eine Parallelanlage senkrecht zu den
Reflektorflächen, jedoch mit einem Zentralreflektor.
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Fig. 9: wie Fig 8, jedoch parallel zu den Reflektor flächen.
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Fig.lO: Aufsicht auf die Parallelanlage in Fig. 8 u. 9 mit dem gestrichelt
eingezeichneten Auftriebsystem.
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Fig. 11 Detailschnitt durch den Zentralrefletor und der u. 12: Einstrahlungsöffnung
in das Auftriebsmedium Fig.12: den Vertikalschnitt durch ein Nachführsystem einer
Kleinanlage.
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Fig.13: Vertikalschnitt durch ein Nachführsystem für eine Großanlage.
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Fig. 14: Querschnitt durch den Zentralempfänger einer Parallelanlage
Fig. 1 zeigt Parabolkollektoren 10, die im Winkel von 450 zur Sonne hin ausgerichtet
sind. Es sind auf der Bezugsplattform 11 ortsfeste Reflektorflächen 12 in der weise
angeordnet, daß diese bei sehr hohem Sonnenstand die zwischen den Kollektoren einfallende
StrahlungiSiese reflektieren. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist bei einem Neigungswinkel
der Kollektoren 10 von 45° eine Neigung der Reflektorplatte 12 von 300 und einem
Einstrahlungswinkel von 600 eine um 72 /o höhere Einstrahlungdichte im Empfangersystem
zu erwarten. Dies erhöht auf einfache Weise den Konzentrationsfaktor der Parabolkollektoren
von z.3. 1:15 auf ca. 1:25. Vorteilhaft bei dieser sheduachförmigen Anordnung ist
die gleichmäßige Belastung des schwimmenden Fundamentes und die Unempfindlichkeit
gegenüber Windbelastungen. Die Stirnseiten 15 an den Enden der Reihen werden geschlossen,
so daß die Windkräfte von unten nicht angreifen können.
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In Fig. 2 ist die gleiche Anordnung, jedoch mit Flachkollektoren 14
dargestellt. Bei dieser Anordnung ist es besonders vorteilhaft,die Stirnfläche 15
ganz zu schließen oder die Anlage mit einer innseitig wsrmereflektierenden Tragluftkuppel
17 zu überdachen. Dadurch wird eine weitgehende Unabhängigkeit von äußeren Wind-und
Witt erungs einflüssen erreicht. Diese Kuppel ist besonders dann vorteilhaft, wenn
das Auftriebsmedium als Warmespeichermedium verwendet wird, so daß die aufsteigende
Wärme unter der Kuppel gehalten wird und ob durch die Umgebungstemperatur der Kollektoren
erhöht, die einen entscheidenden Einfluß auf aen Kollektorwirkungsgrad hat.
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Auf diese Weise wird uie Verlustwärme des Speichers dem System wieder
zugeführt. Weiterhin wird hier die Rückseite
18 des Kollektors
14 und der Reflektorplatte 12 reflektierend ausgebildet, so dass die von unten aufsteigende
Wärme wieder auf den Speicher zurückreflektiert wird.
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Die Tragluftkuppel ist in Großstadtgegenden (Smog) besonders wichtig,
da hierdurch eine Verschmutzung der Kollektoren und Reflektoren verhindert wird.
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Fig. 3 zeigt die Aufsicht auf eine Anlage zur Sonnenenergiegewinnung
mit punktförmigem Zentrallkollektor 20.
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Die äußere begrenzung des Systems stellt den Rand der Auftriebswanne
21 dar. Die verformte Kreisfläche ist der Schwimmkörper auf 22 und dient der Aufstellung
der Reflektor flächer,die in der Schnittzeichnung, Fig. 4 dargestellt sind.
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Zwischen Schwimmkörper 22 und Auftriebswannenrand 21 befinaet sich
der Verdrängungsraum fr das auftriebsmedium 13. Im Drehpunkt der Anlage ge ist der
Zentralern.tfängerturm 23 angeordnet. Der Schwimmkörper 22 ist in der Weise verformz,
daß er die Reflektorflächen aufnehmen kann, die unter optimalen Wirkungsgrad zur
Aufstellung kommen. Im Bereich des Turmschttens 24 sind keine Reflektorflächen angeordnet.
Bei Zentralemfängersystem mit ortsfesten Heliostaten wird grundsätzlich ein gewisser
Frozentsatz der Reflektorflächen durch den Zentralempfängerturm und den Kessel verschattet.
Diese verschatteten und unwirksamen Reflektorflächen werden bei der drehbaren Bezugsplattform
eingespart. Dies ermöglicht auch, den Empfänger so gro auszubilden, wie es für eine
optimale Energieeinstrahlung erforderlich ist.
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Fig. 4 stellt den Querschnitt durch uie Anlage dar und zeigt deutlich
aie verdichtete Reflektoraufstellung vor dem Zentralkollektor 20 und die größerwerdenden
Abstände auf der chattenseite. Die Abstände zwischen den Reflektoren errechnen sich
aus der Schattenlänge szw. aus einem zuls£i£e; Blockierungsanteil der Reflexion
zum Empfänger. Die Plattfor@ 22 ist in dem Bereich am größsten ausgebildet, in dem
die Reflektoren 25 mit dem größsten Wirkungsgrad zum Einsatz
kommen
und dies zeig sich in dem spitzen Winkel zwischen Einfalls- und Aufallsrichtung.
Vorteilhaft an der verdichteten Überbauung ist die Genauigkeit des gesamten Systems,
die um so größer ist, je kürzer die Reflexionslängen sind.
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Die verdichtete Anordnung wird auch in Fi. 5 u. 6 besonders deutlich.
Hier ist ein Parallelsystem mit parallel und in langen Reihen angeordneten Reflektorflächen
25 dargestellt, die mit einem über Stützen 26 zu den Reflektoren 25 parallel verlaufenden
zentralen Empfänger 27 in Verbindung stehen.
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Fig. 7 zeigt einen Schnitt parallel zum Empfänger 27.
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Hier ist deutlich zu sehen, daß. die Stutzen 26 auf eigenen Schwimmkörpern
28 in Öffnungen der Bezugsplattform 22 abgesetzt sind und mit dieser im Horizontalkreis
geführt werden.
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Das Parallelsystem ist als besonders wirtschaftlich anzusehen, da
die Reflektorflächen beispielsweise bei einem tiernoltnis zwischen Läge des Reflektorenfeldes
und der Höhe des Empfängers über der Bezugsplattform von 3,5:1 einen durchschnittlichen
Wirkungsgrad von ca. 90 % haben.
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Dieses Verhältnis weist darauf hin, daß trotz der Langen ausdehnung
des Empfängers sehr hohe Energiedichten pro qcm im Empfänger erreichbar sind. Die
Energiedichte ist direkt proportional der Größe des Reflektorenfeldes, wobei sich
aufgrund der runden Stirnseiten des Reflektorenfeldes ein Energiegefälle zu den
äußeren Punkten des Empfängers ergibt. Dies ist vorteilhaft, wenn das Strömungsmittel
im Energiewandler von Außen zur Mitte und im Bereich der maximalen Energieeinstrahlung
nach unten abgeführt wird.
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Die Ableitung des Strömungsmittels erfolgt im Drehpunkt der Bezugsplattform.
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Fig. 8 u. 3 zeigen ein vom Prinzip her ähnlich funktionierendes System,
jedoch als Kleinanlage mit einer Bezugsplattform 29, die über das Auftriebssystem
30 hinausragt. (Fig.10 Im wesentlichen unterscheidet sich die anlage durch den
parabolförmigen
Zentralreflektor 31, der anstelle des zentralen Empfängers angeordnet ist. Dies
zeigt Fig. 11 Der zentrale Reflektor 31 reflectiert die energie nach unten durch
eine Öffnung 42 in aer Bezugsplattform bzw. des Schwimmkörpers auf einen im Auftriebsmedium
13 mit dem Schwimmkörper zirkulierenden Empfänger 32. Dieser ist im Einstrahlungsbereich
mit einer selektiven Schicht 33 versehen kann it so gefonnt, da3 er eine grobe Oberflache
zur Wärmeabgsbe an dioe als Speichermedium dienende Auftriebs-Öffnung 42 in der
flüssigkeit 13 hat. Die Bezugsplattform ist mit einer tonnenförmigen doppelten Glasabdeckung
33 versehen, die inseitig eine wärmereflektierende Beschichtung 34 aufweist.
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In Fig. 12 u. 13 sind die Nachführsysteme dargestellt, auf der die
Reflektoren angeordnet sind. Fig. 12 zeigt das Nachführsystem f.r die Reflektoranlage
in Fig. 8 bis 10.
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Die nachführung erfolgt durch einen Kettenzug 35, der über kleine
Zahnräder 36 an die Zahnräder 37 zur Nachführung der Reflektorflächen gedrückt wird.
Für diese Nachführung reicht ein kleiner Stellmotor 33.
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Fig. 13 zeigt die einachsige Nachführung der Reflertorflächen, wie
sie bei einer Großanlage zur Anwendung kommt.
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Die Rahmen 39, auf denen uie Reflektoren befestigt sind, werden im
Drehpunkt 40 gehalten und beispielsweise durch hydraulische Teleskopstützen 41 gedreht.
Der Vorteil dieser Nachführung ist die hohe Stabilität gegenüber Windbelastungen,
die über mehrere punkte verteilte Abtragung der Windkräfte und die damit verbundene
Einsetzmöglichkeit von sehr großen Reflestoralachen.
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in Fig. 14 ist ein Zentralempfängersystem dargestellt, wie es in er
Parallelanlage oder in aer punktförmigen @entralanlage einsetzbar ist.
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Der Zentralempfänger besteht aus einer Vielzahl von strahlung @mml@r@
43, die die Fähigkeit besitzen, diffus
einfallende Strahlungsenergie
zu konzentrieren. Die Strahlungssammler sind nebeneinander so angeordnet, daß sich
ihre otischen Achsen 44 schneiden.
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er Vorteil dieser Anordnung ist, daß trotz der großen Einstrahlungsbreite
ein hoher Konzentrationsfaktor erreichbar ist. Dies erlaubt die Anwendung großer
ebener Reflektorflächen Die Schattenlinien 45 geben den zur Konzentration erforderlichen
Einstrahlungswinkel an. In der Fig. 14 sind CPC-Kollektoren dargestellt, die die
energie auf ein rönrenförmigen Gebilde 46 konzentrieren, das beispielsweise aus
einer Vielzahl von Absorbtionsrohren erzeugt wird. Der parabelförmige Querschnitt
des CPC-Kollektors ist im Öffnungsbereich zu einer Geraden 47 verformt und bildet
ein trichterförmigen Ansatz. Rückseitig sind die Kollektoren warmeleiteiid mit Kühlrohren
48 verbunden, die die von den Strahlungssammlern absorbierte Strahlungsenergie abführen
und zur Vorwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit im Absorber dienen.
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Bei Einsatz des Strahlungsfängersystem für die punktförmige Zentralanlage
v.ird dieses kreisringförmig ausger%ilaet.
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Es ist selbstverständlich, daß auch andere Querschnittsformen der
Strahlungssammler, beispielsweise Trichter und andere Absorptionssysteme zur Anwendung
kommen können.
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L e e r s e i t e