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Refraktor Reflektor-Strahlungskonzentrator
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Konzentrator, der geeignet
ist, Strahlung in einen kleinen Bereich zu fokussieren und einen linearen Stufenrefraktor,
der den Vorderteil des Eronzentraktors darstellt, und einen linearen Stufenreflektor
aufweist, der den Rückteil des Konzentrators bildet, wobei die Reflektor stufen
die Refraktorstufen unter etwa 90°C kreuzen, um auf den Vorderteil des Konzentrators
einfallende Strahlung vor den Konzentrator zu fokussieren. Eine programmierte Matrixanordung
aus einzelnen Konzentratorplatten läßt sich verwenden, um eine großflächige Refraktor-Re
flektor-Anordnung zu bilden, die Strahlung zu einer hohen Flußdichte fokussiert.
Weiterhin kann man normal und nichtnormal einfallende Strahlung außerhalb der Bahn
der ein fallenden Strahlung fokussieren, um ein Blockieren der einfallenden Strahlung
durch einen im Brennpunkt liegenden Absorber zu verhindern.
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Die Fig. 1 ist eine Perspektivdarstellung eines Konzentrators mit
einen linearen Stufenreflektor kreuzendem linearen Stufenrefraktor, welche Anordnung
die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert; dabei ist auch eine kleinflnchige
Fokussierung der einfallenden Strahlung schematisiert dargestellt; Fig. 2 ist ein
vertikaler Schnitt auf der Linie 2-2 der Fig.
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und zeigt schematisiert die vertikale Bahn eines durch den tonzentrator
laufenden Meridionalstrahls; Fig. 3 ist ein waagerechter Schnitt auf der Linie 3-3
der Fig. 1 und zeigt schematisiert die waagerechte Bahn eines durch den Konzentrator
verlaufenden Meridionalstrahls; Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, ein an den Kanten dicht abgeschlossenes Honzentratorplattenelement;
Fig. 5 ist ein Schnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, d.h. eine Konzentratorplatte mit einem optisch klaren Kleber im Raum
zwischen PLefraktor und Reflektor; Fig. 6 ist ein Schnitt einer weiteren alternativen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Konzentraorplattenelement, bei dem
die Reflektorstruktur auf einer AuBenfläche
ausgebildet ist; Fig.
7 ist ein Schnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
d.h. eine Konzentratorplatte, bei der der Refraktor und der Reflektor in den Außenflächen
einer einzigen optisch klaren Platte ausgebildet sind; Fig. 8 ist ein Schnitt in
einem Winkel von 900 zu der Darstellung der Fig. 7 und zeigt eine einlagige Konzentratorplatte
der in der Fig. 7 gezeigten Art mit Schutzelementen auf den Reflektor- und Refraktorstufen;
Fig. 9A und 9B zeigen beispielhafte Matrixanordnungen für den Refraktor bzw. den
Reflektor nach der vorliegenden Erfindung; Fig. 10 ist eine schematisierte Darstellung
der versetzten Fokussierung normal einfallender Strahlung durch einen Konzentrator
nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung; Fig.1 zeigt schematisiert die versetzte
Fokussierung nichtnormal einfallender Strahlung durch einen Eonzentrator nach den
Prinzipien der vorliegenden Erfindung; und Fig.12 zeigt schematisiert die gemeinsame
Fokussierung normal und nichtnormal einfallender Strahlung durch eine
Konzentratormittel-
und zwei Konzentratroseitenplatten.
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Die Fig. 1 stellt eine beispielhafte optische Konzentratorplatte ö
nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Die Konzentratorplatte 'O weist
eine Refraktorstruktur 11 in Form einer optisch klaren Schicht 15 mit Hauptflccken
auf der Vorder-und der ihr gegenüberliegenden Rückseite auf, die zu einer glatten
Oberfläche 12 und einem linearen Stufenrefraktor 13 ausgebildet sind. Der Refraktor
13 besteht aus einer Gruppenanordnung aus im wesentlichen parallelen Stufen 14-14.
Die Konzentratorplatte 10 weist weiterhin eine Reflektorstruktur aus einer Schicht
17 mit einem im wesentlichen ebenen linearen Stufenreflektor 18 in ihrer Vorderfläche
auf; diese Struktur ist räumlich so angeordnet, daß sie den linearen Stufenrefrakter
13 berührt. Der Reflektor 18 besteht aus einer Gruppenanordnung im wesentlichen
paralleler Stufen 19-19, die reflektierende Flächen bilden. Vorzugsweise reflektiert
der Reflektor 18 spiegelnd und läßt sich nach einer Vielzahl von Verfahren, wie
den Fachmann bekannt, spiegelnd machen - bspw. durch Ablagern von Metall auf vorgeformten
Stufen 19-19 Wenn die linearen Stufen 19-19 des Reflektors 18 die linearen Stufen
14-14 des Refraktors 13 unter einem Winkel von etwa 90° kreuzen, wie in Fig. 1 gezeigt,
kann die Konfiguration der Refraktorstufen und der Reflektorstufen so getroffen
werden, daß die auf die glatte Vorderfl.che 12 des Refraktors ,\ einfallende Strahlung
auf einen kleinflächigen Brennpunkt (p) vor der Refraktorstruktur
fokussiert
wird. Der Ausdruck "vor", wie er in diesem Zusammenhang benutzt ist, soll den droidimensionalen
Raum auf der der einfallenden Strahlung zugewandten Seiten einer Ebene bezeichnen,
die in die Konzentratorebene f illit er umfaßt auch den Rau-m unmittelbar vor dem
Konzentrator, ist aber nicht auf diesen beschränkt.
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Die Fläche des Bereichs (p) und der Anteil der einfallenden Strahlung,
der in (p) gesammelt bzw. dort fokussiert wird, hängt von Faktoren wie den Stufenwinkeln
des Refraktors und des Reflektors und der Herstellungsgenauigkeit der linearen Stufen
14-14 und 19-19 ab. Typischerweise erbringt der Konzentrator eine zufriedenstellende
Leistung, wenn der Refraktor 13 und der Reflektor 18 sich unter einem Winkel etwa
in Bereich von 900 + 50 kreuzen.
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Es wird darauf verwiessen, daß der lineare Stufenrefraktor 13 die
Struktur einer linearen Stufenlinse hat und auch als solch bezeichnet werden könnte.
Diese Struktur, eine lineare Fresnellinse, ist das Analogen einer massiven Zylindrelinse
und kann Strahlung auf eine Trennlinie fokussieren. Wie unten erörtert, sind der
Refraktor 13 und der Reflektor 18 so ausgelegt, daß sie Licht g gemeinsam fokussieren,
nicht aber getrennte Elemente mit getrennten Brennlinien sind, die zur Bildung eines
punktförmigen oder kleinflächigen Brennpunkts zusammenwirken. Der Gattungsbegriff
"Refraktor" wird durchweg auf die Struktur 13 angewandt, um einen Schluß auf separat
fokussierte separate Elemente zu
verhindern.
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Die Fokussierwirkung der otpischen Konzentratorplatte 10 läßt sich
anhand vereinfacht er Meridionalstrahlgänge durch einzelne Linearstufen klar, 19
in der XZ- bzw. der XY-Ebene untersuchen.
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Wie in Figr. 2 gezeigt, wird in der XZ-Ebene der einfallende Strahl
an der Luftgrenze zl?r glatten Vorderfläche 12 und an der Luftgrenze zur Refraktorstufe
14 gebeugt, dann von der Linearstufe 19 des Reflektors gespiegelt und schließlich
an der Luftgrenzflache der Refraktorstufe 14 und der glatten Vorderfläche 12 erneut
gebeugt, wenn er durch die Refraktorstruktur 11 hindurcll zum Brennpunkt (p) läuft.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wird der Strahl in der XY-Ebene an der Luftgrenzfläche der
ebenen Oberfläche 12 und der Refrakterstufe 14 gebeugt, dann an der Reflektorstufe
19 reflektiert und schließlich an der Refraktorstufe 14 und der ebenen Oberfläche
12 erneut gebeugt, wenn er die Refraktorstruktur 11 zun Brennpunkt (p) durchläuft.
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Diese vereinfachten zweidimensionalen Strahlengänge erläutern die
Arbeitsweise der Konzentratorplatte 10 und sind außerdem nützlich zur Bestimmung
der Stufenwinkel des Refraktors und des Reflektors. In Fig. 2 ist der Refraktor-Stufenwinkel
der Winkel ( K) zwischen der Fläche 32 und der Fläche 12. Fig. 3 zeigt den Reflektor-Stufenwinkel
(B) zwischen der Fläche 34 und der Fläche 40. Die Strahlbahnen durch den Konzentrator
und damit die Fokussierung der Lichtstrahlen werden vorzugsweise eingestellt bzw.
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geändert, indem man die Winkel (oC) und (ß) der einzelnen Refraktor-
und Reflektorstufen ändert. Der Fachmann wird einsehen, daß es oft erwünscht ist,
die Anfangswerte der Winkel (α) und (B) eines zweidimensionalen Strahlgangs
unter Benutzung einer dreidimensionalen Strahlführung zu optimieren.
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Die in Fig. 1 gezeigte einwarts gewandte Strukturierung des Refaktors
13 und des Reflektors 18 reduziert die Beeinträchtigung derselben durch Wind, Regen,
die Sonne usw., da die Außenflächen glatt sind und sich die Platte daher leicht
säubern läßt.
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Die Platte kann auch gegen die Umwelt dicht abgeschlossen werden.
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Bspw. kann man die aneinandergrenzenden Refraktor- und Reflektorstrukturen
11, 16 an zuelnanderpassenden, nichtgestuften Bereichen auf der Rückseite der optisch
klaren Schicht 15 und in der Vorderfläche der Reflektorschicht 17 miteinander verbinden.
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Dies ist in Fig. 4 gezeigt, wo die Refrak-tor- und die Reflektorstruktur
als aufeinanderpassende Ränder 23, 24- aufweisend dargestellt sind, die bsnw. mit
einem Kleber (nicht gezeigt) miteinander verbunden sind. Weiterhin kann man eine
Stützplatte 21 (gestrichelter Umriß in Fig. F) auf der Rückseite des Reflekters
16 so befestigen, daß der Reflektor und der Refraktor sich als dünne Elemente herstellen
lassen und nicht selbsttragend zu sein brauchen.
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Alternativ kann man, wie in Fig.5 gezeigt, einen optisch klaren polymeren
Kleber 22 einsetzen, dessen Brechungsindex niedriger
als der der
klaren Schicht 15 des positiven Refraktors 13 (bzw.
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bei negativen Refraktor höher als der der Schicht 15 ist, um den Raum
zwischen den einwärts gewandten Refraktorstufen 14-14 und Reflektorstufen 19-19
zu füllen und den Refraktor am Reflektor zu befestigen. Wenn es sich bei der optisch
klaren Schicht 15 bspw. um Celluloseacetatbutyrat (CAB) handelt, ist ein geeignetes
Material 22 Polyperfluoroctylsulfonamidläthylacrylat.
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Auf diese Weise können die Ränder 23, 24 (Fig. 4) entfallen und es
treten keine Luftgrenzflächen an Refraktor und am Reflektor auf.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform, die die Fig. 5 zeigt,
befinden die Reflektorstufen 19-19 sich auf der Außenfläche der Konzentratorplatte.
In dieser Ausführungsform ist die Lage 17 klar, damit Strahlung durch sie hindurchtreten
kann.
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Eine (gestrichelt angedeutete) Stützplatte 28 kann auf der Riickseite
der Reflektorstruktur 16 angebracht werden.
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Die Fig. 7 zeigt eine weitere alternative Konfiguration, in der die
Refraktorstruktur 11 und die Reflektorstruktur 16 in einer einzigen klaren Schicht
ausgebildet sind. Die Refraktorstufen 14-14 und die Reflektorstufen 19-19 sind dabei
auf gegenüberliegenden Flächen des Bogens 42 ausgebildet. Diese einfache Konfiguration
eliminiert Luftgrenzflächen zwischen dem Refraktor und dem Reflektor.
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Wie in Fig. 8 dargestellt, kann man den Bogen 42 in eine Schutzanordnung
einhüllen. Die dargestellte Schutzanordnung weist die Schichten 43 und oder 44 auf,
die mit flachen glatten Außenflächen ausgeführt sind, um ihre Säuberung zu erleichtern.
Die Platten können auf unterschiedliche Weise am Refraktor oder Reflektor befestigt
werden. Wie als Beispiel in der Fig. 8 gezeigt, befestigt man die flache Innenfläche
der klaren Schutzplatte 43 mit einem optischen klaren polymeren Kleber 15 auf dem
Refraktor, während die glatte Innenfläche der Platte 44 am Reflektor mit einem Kleber
46 befestigt wird, der nicht optisch klar zu sein braucht.
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Die oben beschriebene Konzentratorplattenkonstruktion läßt sich zur
Herstellung großflächiger Konzentratorstrukturen verwenden, indem man programmierte
Matrixanordnungen einzelnder Refraktor-Reflektorelement einsetzt. Die einzelnen
Elemente werden von der Refraktorstruktur 11 und der Reflektorstruktur 16 der Konzentratorplatte
10 (Fig. 1) abgeleitet. Derartige Matrixanordnungen sind brauchbar für Hochleistungsanwendungen
- 77spw.
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Wärmemaschinen.
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Wie in den Fig. 9A und 9B gezeigt, benutzen die Refraktormatrix 31
und die mit ihr zusammenwirkende Reflektormatrix 36 typischerweise Reihen und. Spalten
aus Refraktor- und Reflektorelementen.
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Die Refraktormatrix 31 der Fig. 9A weist Reihen einzelner Refraktorelemente
1 - 6 auf, die parallel zur waagrechten Symmetrieachse
37 verlaufen.
Die Reflektormatrix 36 der Fig. 9B verwendet Spalten linearer Reflektorelemente
A-F, die parallel zur vertikalen Symmetrieachse 38 verlaufen.
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Entsprechende Reihen und Spalten auf gegenüberliegenden Seiten der
Achsen 37, 38 sind relativ zueinander umgekehrt angeordnet, d.ii. die Achsen 37,
38 teilen ihr zugehörigen Matrizen 31, 36 zu spiegelbildlich liegenden Hälften auf.
Werden die Refraktormatrix 3 und die Feflektormatrix 36 mit sich kreuzenden Achsen
37, 38 zusammengebracht, wirken sie unter Bildung eines kleinflächigen Brennbereichs
zusammen, in dem sich einfallendes Sonnenlicht auf die gleiche Weise sammelt wie
bei einer einelementigen Konzentratorplatte 10 der Fig. 1. Es ist einzusehen, daß
diese Anordnungen nur beispielhaft sind; andere Anordnungen lassen sich vom Fachmann
leicht treffen.
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Eine 28 x 28 cm ( 11 x 11 in.) große Konzentratorplatte 10 wurde entsprechend
der Fig. 1 aufgebaut. Bei den Schichten 15, 17 handelt es sich um Polymethylmethacrylat
$(PMMA; n = 1,49) mit 1,97 linearen Stufen pro Hillimeter (50 Stufen/inch), gemessen
auf einer zur Langsausdehnung der Stufen rechtwinkligen Linie.
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Die Schichten hatten eine Dicke (t) von 1,52 mm (o,06Q in.).
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Auf die Fläche 34 (Fig. 3) wurde eine spiegelnd reflektierende Aluminiumschicht
aufgedampft. Unter Anwendung der Strahlganganalyse wurden die Winkel (α) und
(ß) so bemessen, daß sich ein Auffangwirkungsgrad von 0,95 ergab. D.h., daß Winkel
(C() und (ß)
verwendet wurden, die einen Durchmesser des kleinen
Brennbereichs bzw. Umschreibungskreises (p), für den 95 J der übertragenen Strahlen
durch den Brennbereich verlaufen, ergaben, der für die Konzentratorplatten mit Abmessungen
von 28 z 28 cm (11 x 11 in.) einen Wert von etwa 19 mm hatte.
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Ein großflächiger Konzentrator von bspw. 335 x 335 cm (11 Z 11 ft.)
läßt sich leicht aus einer Vielzahl 28 x 28 cm-Platten (11 A 11 in.) in der Matrixanordnung
der Fig. 9A und 9B zusammensetzen. Auf der Grundlage eines Umschreibungskreises
bzw. Brennbereichs von 19 mm (0,75 in.) Durchmesser einer 28 x 28 cm Platte ergibt
ein Brennradius von etwa 100 mm (4,0 in.) einen Auffangwirkungsgrad von 0,95 für
die 335 x 335 cm große Plattenmatrix. Die Leistung im Brennbereich in Watt läßt
sich wie folgt abschätzen: W = H x AO x TR x CE mit H = Sonnenflußdichte auf der
Platte, zu etwa 1075 W,/m2 (100W,/sq.ft.) angenommen AC = Fläche der Konzentratorplatten
TR = Tranamissions- und Reflexionswirkungsgrade; Transmissionsgrad 0,96 pro Grenzfläche
und Reflexionsgrad 0,88 pro Reflexion ergibt TR = (0,96)4(0,88) = 0,075 CE = Auffangwirkungsgrad;
zu G,95 angenommen.
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Für eine 335 x 335 cm ( 11 x 11 ft.) große Platte, die 95 % der übertrageren
Sonnenstrahlung in einen Brennkreis mit einem
Radius von 100 mm
(4 in.) bei 335 cm (11 ft.) konzentriert, ergibt sich die Leistung dann angenähert
zu W = 100 x 121 x 0,75 x 0,95 = 8,5 kW Die Matrixkonfiguration der 7orliegenden
Erfindung ist nicht auf die in den Fig. 9A, 9 gezeigten Anordnungen beschränkt.
Bspw.
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kann man die Plattenzahl in den Reihen (Spalten) reduzieren, indem
man ausgepreßte Linsen größerer Breite (Höhe) verwendet.
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Die oben beschriebenen gekreuzten linearen Solarplatten können so
konstruiert sein, daß sie normale ( unter einem Winkel von 90° zur Platte einfallende)
Sonnenstrahlung auf einen Punkt auf einer optischen Achse 47 (Fig 1) fokussieren,
die rechtwinklig zur Platte und durch deren Mittelpunkt verläuft. In diesem Fall
liegt der Brennnunkt in der Bahn der rechtwinkligen bzw. normal einfallenden Strahlen;
die Konstruktion wird daher als "normalfokussierend" bezeichnet Es sind jedoch auch
andere Anordnungen möglich, die die Abschattung der einfallenden Strahlung durch
den (nicht gezeigten) Flußabsorber reduzieren oder vermeiden Wie bspw. schematisiert
in der Fig 10 dargestellt, richtet die Sonnenkonzentratorplatte oder Plattenmatrix
25 (mit von den Matrizen 31 (Fig. 9A) und 36 (Fig. 9B) abgeleiteten Refraktor-Reflektor-Matrizen
bzw. ein auf einer Platte 10 basierender Einzelkonzentrator) Normalstrahlung auf
einen Brennpunkt (p),
der außerhalb der Bahn der einfallenden Strahlen
liegt. Auf diese Weise läßt, sich die Abschattung reduzieren oder eliminieren.
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Eine solche Anordnung wird als "normalversetzt" bezeichnet.
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Alternativ kann man, wie in Fig. 11 gezeigt, eine Solarplatte oder
-plattenmatrix 26 zur Fokussierung nichtnormaler Strahlung aufweinen versetzten
Brennpunkt programmieren, um die Abschattung nichtnormaler Strahlung zu verhindern.
Natürlich ist auch eine "nichtnormale" Anordnung möglich, d.h. eine Anordnung, bei
der der Brennpunkt in der Bahn der nichtnormal einfallenden Strah-3 Ltct Weiterhin
sind auch Kombinationen der normaler, normal-versetzten nichtnormalen und nichtnormal-versetzten
Fokussierung möglich.
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Wie beispielsweise in Fig. 12 gezeigt, verwendet der Kombinationskonzentrator
27 eine Normal-Mittelplatte 10 und nichtnormale versetzte Seitenplatten 26 - 26.
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Es wird darauf verwiessen, daß im Gegensatz zu den in Fig. 9A, 93
gezeigten Matrizen 31, 36 die nichtnormalen und versetzten Matrixanordnungen gewöhnlich
nicht spiegelbildlich halbiert ausgeführt sind, da, wie sich aus den Fig. 10, /1
ergibt, das Licht in den nichtnormalen und die versetzten Konstruktionen nicht symmetrisch
geführt werden kann.
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Es ist für den Fachmann einzusehen, daß die Aufnahme von Konstruktionen
wie
mit versetzter oder nichtnormaler Fokussierung in einteilige Konzentratoren nach
dem Stand der Technik komplizierte Formen und schwierige und teure Herstellungsverfahren
erfordert. Infolge der Radialsymmetrie kann weiterhin ein kreisrunder Fresnelreflektor
nicht nichtnormale Strahlung auf einen versetzten Brennpunkt richten, vle in Fig.
11 gezeigt. fit einer einzelnen Konzentratorplatte oder einer Plattenmatrix nach
den Prinzipien der vorliegenden Erfindung lassen sich jedoch versetzte, nichtnormale
und andere konstruktive Anordnungen leicht erreichen.