DE2938942A1

DE2938942A1 - Leitvorrichtung fuer strahlungsenergie

Info

Publication number: DE2938942A1
Application number: DE19792938942
Authority: DE
Inventors: Roland Winston
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1978-09-26
Filing date: 1979-09-26
Publication date: 1980-04-10
Also published as: GB2031179B; GB2031179A; JPS5545100A; FR2437586B1; US4237332A; FR2437586A1; CA1127030A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitvorrichtung für Strahlungsenergie.

In den folgenden US-Patenten ist eine Reihe von nichtabbildenden Strahlungsenergieleitvorrichtungen beschrieben: 3 923 381, 4 002 499, 3 957 031, 4 130 107, 4 114 sowie Applied Optics, Band 15, Nr. 2, Seiten 291-292 vom Februar 1976. Jede dieser Vorrichtungen basiert auf Konstruktionsmethoden unter Verwendung der Verfahren der geometrischen Optik, im wesentlichen unter Verwendung der optischen Strahlenverfolgung zusammen mit der Erfahrung hinsichtlich des Verhaltens der Reflektoren mit unterschiedlichen Formen. Das am besten bekannte Beispiel ist dabei die parabolische Konzentrationsvorrichtung (CPC), wie sie in US-PS 3 923 381 beschrieben ist.

Wenn die Verwendung als eine Konzentrationsvorrichtung in der zweiten Stufe vorgesehen ist, so haben die CPC-Vorrichtungen einen praktischen Nachteil im Hinblick auf die Führung des Konzentrationssystems zur Sonne hin. Die Eintrittsöffnung der CPC-Vorrichtung ist am aberrierten durch die primäre Konzentrationsvorrichtung gebildeten Sonnenbild angeordnet. Da das Bild normalerweise gerade eben die Eintrittsöffnung füllt, ist das System gegenüber Führungsfenlern sehr empfindlich. Führungsfehler in der Größenordnung von 0,1° können einen Verlust von bis zu 20% des Flusses verursachen. Wenn eine zweite Stufe mit einer Eintrittsöffnung größer als dem Sonnenbild verwendet würde, so wird einiges an Konzentration verloren, und die Flußverteilung über die Austrittsöffnung hinweg wird ungleichförmig. Eine ungleichförmige Flußverteilung ist aber außerordentlich unerwünscht bei photovoltaischen Zellenanordnungen oder Wärmeabsorbern. Somit bietet die CPC-Vorrichtung bei Anwendung in einer zwi iten Stufer einer Konzentrationsvorrichtung eine gute, aber keine ideale Lösung.

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Die Erfindung sieht eine neue Klasse von nichtabbildenden Konzentrationsvorrichtungen vor, von denen einige maximale theoretische Konzentration aufweisen, wie dies für die oben beschriebenen optischen Strahlenverfolgungsverfahren nicht bekannt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet die geometrische Vektorflußqualität inkohärenter lambertscher Strahlungsenergieemitter. Insgesamt kann man zeigen, daß das Konstruktionsverfahren neben den neuen Vorrichtungen, die besonders für Konzentrationsvorrichtungen der zweiten Stufe geeignet sind, auch die oben erwähnten Vorrichtungen mit umfaßt.

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, eine Strahlungsenergie-Leitvorrichtung vorzusehen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Ferner bezweckt die Erfindung Strahlungsenergiekonzentrations- und Sammel-Vorrichtungen vorzusehen, die insbesondere zum Sammeln von Sonnenenergie geeignet sind. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Strahlungsenergiekonzentrationsvorrichtungen vorzusehen, die besonders als Konzentrationsvorrichtungen der zweiten Stufe geeignet sind.

Erfindungsgemäß wird eine Strahlungsenergie-Leitvorrichtung vorgesehen, welche sowohl zum Sammeln als auch zum übertragen von Strahlungsenergie geeignet ist. Die Vorrichtung weist dabei einen Energiewandler auf und mindestens eine reflektierende Wand mit einer besonderen Form. Die besondere Form oder Gestalt wird bestimmt dadurch, daß man annimmt, daß der Wandler als ein inkohärenter lambertscher Strahlungsenergieemitter mit endlicher Dimension wirkt. Die reflektierende Wand wird angeordnet längs einer Flußlinie des geometrischen Vektorflusses, der bei einem solchen Emitter auftritt. Die Idealform erfüllt auch die Bedingung, daß die Strahlen der Strahlungsenergie sich in einem Zustand eines ins einzelne gehenden Gleichgewichts längs des Spiegels befinden. Sowohl trogförmige als auch konusartige Lenkvorrichtungen können durch dieses Konstruktionsverfahren entwickelt

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werden.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 Flußlinien in einem Strahlungsenergiefeld;

Fig. 2 den transversalen Querschnitt einer Strahlungsenergieleitvorrichtung;

Fig. 3 eine dreidimensionale Ansicht einer trogförmigen Strahlungsenergie-Sammelvorrichtung;

Fig. 4 eine dreidimensionale Ansicht einor konusförmigen Strahlungsenergie-Leitvorrichtung;

Fig. 5 eine dreidimensionale Ansicht einer asymmetrischen konusartigen Strahlungsenergie-Leitvorrichtung;

Fig. 6 eine dreidimensionale Ansicht einer trogförmigen Strahlungsenergie-Leitvorrichtung, verwendet als ein Kollektor der zweiten Stufe.

Das Grundkonstruktionsprinzip basiert auf einem neuen Konzept, nämlich dem geometrischen Vektorflußprinzip (kurz Vektorfluß genannt). Dieses Konzept ergibt sich aus der bekannten Beziehung (etendue), nämlich ü, wie folgt:

du = dp_v dp dx dy (1),

dabei sind ρ und ρ die optischen Richtungskosinusse der χ y

Strahlen in einem Strahlungsstrahl, bezogen auf die rechtwinkligen Koordinatenachsen x, y und z. Die Bewahrung der Beziehung durch ein durch

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SdU = const (2)

ausgedrücktes System führt zu der bekannten fundamentalen Grenze hinsichtlich des Konzentrationsverhältnisses, wie dies von Winston entdeckt wurde (J. Opt. Soc. Amer., 1970, Band 60, Seiten 245-247).

Wenn neue Größen J , J und J wie folgt definiert werden

xy ζ

J_x = S

J_z =Sdp_x dp_y (3),

so findet man, daß sie sich wie die Komponenten eines Vektor verhalten. Dies wird bezeichnet durch J = (J , J, , J)

^* χ y ζ

und wird als geometrischer Vektorfluß bezeichnet. Ein alternativer Ausdruck für J, welches explizit seinen Vektorcharakter zeigt, ist:

J = n²\K

wobei η der Brechungsindex, K die Einheitsstrahlenrichtung undXXder Raumwinkel ist.

Es ist möglich, in einfacher Weise das Vektorflußfeld für bestimmte einfachte Formen von Quellen zu berechnen, insbesondere kann man die Strömungslinien des Feldes zeichnen, d.h. die Worte, die tangential zur Richtung von jj an jedem Punkt verlaufen. Die Flußlinien geben die allgemeine Richtung des Lichtenergielaufs innerhalb der geometrischen optischen Annäherung an und haben daher die Eigenschaft, daß dann, wenn ein kleines Spiegelelement im Feld derart angeordnet wird, daß die Flußlinien in dessen Oberfläche verlaufen, der Fluß örtlich nicht gestört ist. Es gibt bestimmte,besonders einfache Quellenformen der

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Art, daß die Strahlen an irgendeinem Punkt des Vektorflußfeldes sich in einem Zustand detaillierten Gleichgewichts befinden. Dies bedeutet, daß für jeden auf das obige Spiegelelement von einer Seite her auftreffenden Strahl ein entsprechender Strahl von der anderen Seite in genau der dem reflektierten Strahl entsprechenden Richtung vorhanden ist. Für ein solches Feld findet man, daß eine Spiegeloberfläche derart angeordnet werden kann, daß sie die Flußlinien enthält, und es ergibt sich keine Störung, nicht nur örtlich, sondern auch nicht mit dem irgendwo befindlichen Feld. Derartige Spiegelformen sind ideale Konzentrationsvorrichtungsformen.

Die Fig. 1 zeigt Solenoid-Strömungslinien in einem Feld. Das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts sieht vor, daß dann, wenn Spiegeloberflächen entlang der Flußlinien 10 und 12, die sich zwischen den Punkten A und B und C und D erstrecken, angeordnet werden, das Feld ungestört sein wird. Dies bedeutet, daß man die Lichtrichtung umkehren könnte und einen SLrahl zwischen BD mit den gleichen Charakteristika einschließlich der gleichen Beziehung (etendue) hineinsenden könnte als Teil des Strahls, der zwischen B und D im ursprünglichen Feld herauskam, wobei der entsprechende Strahl von AC abgegeben würde. Dies würde eine verlustfreie Konzentrationsvorrichtung bilden und wenn im Originalfeld ein voller Lambert-Strahl bei BD eingetreten wäre, so würde die Konzentrationsvorrichtung die theoretisch mögliche Maximalkonzentration besitzen.

Das neue Verfahren zur Konstruktion von Strahlungsenergie-Lenkoder Leit-Vorrichtungen macht es daher erforderlich, daß man mit einem Vektorfeld von einer effektiven oder angenommenen Lambert-Strahlvorrichtung (einem Strahler) ausgeht und sodann die Strahlungsenergie-Leitvorrichtung dadurch konstruiert, daß man einen Spiegel oder Spiegel entlang der Flußlinien anordnet. Wenn sich die Strahlen in dem Feld in detailliertem Gleichgewicht befinden, so wird die dadurch erhaltene Konzen-

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trationsvorrichtung ideal. Der Spiegel ist für praktische Zwecke nur auf einer Seite reflektierend und kann daher durch eine Vielzahl von Mitteln, beispielsweise Metallwände, brechende Grenzen, usw., gebildet werden.

Zur Darstellung des Konstruktipnsprinzips in zweidimensionaler Geometrie sei auf Fig. 2 Bezug genommen, wobei angenommen wird, daß der Teil 16 eines unendlichen Streifens sich zwischen den Punkten E und F erstreckt und als eine gleichförmige Lambert-Quelle wirkt. Der Teil 16 besitzt eine Breite 2c. Die Flußlinien des Vektorflusses J sind konfokale Hyperbeln mit Brennpunkten bei E und F und es können Spiegel 18, 19 längs dieser konfokalen Hyperbeln ohne Störung des Flusses angeordnet werden. Es sei angenommen, daß das Hyperbelpaar GH und MN ausgewählt wird, welches beispielsweise von den Punkten auf der Quelle EF ausgeht, die um 0,6c von der Mitte entfernt liegen. Sodann ergibt sich aus der elementaren Geometrie der Hyperbel, daß jeder Strahl durch H,gerichtet auf einen Punkt zwischen E und F, nach null Reflexionen, einer Reflexion oder einer vielfachen Anzahl von Reflexionen die Quelle 16 zwischen G und M erreichen wird, während kein Strahl durch H,gerichtet (auf ein Gebiet) außerhalb EF die Quelle 16 erreichen kann. Typische Extremstrahlen 17 durch Punkte P und Q in der Eintrittsöffnung sind dargestellt. Das System ist somit eine ideale, nichtabbildende Konzentrationsvorrichtung, die alle Strahlen aufnimmt, die zur virtuellen Quelle EF hin konvergieren (innerhalb bestimmter Winkelbereiche, bestimmt durch die Position der Punkte H und N bezüglich der Punkte E und F), wobei diese Konzentrationsvorrichtung die Strahlung sodann zu den Punkten in GM schickt.

Um die Wirkungsart der neuen Konzentrationsvorrichtung klarer zu definieren (sie ist nämlich außerordentlich unterschiedlich gegenüber der Wirkung der CPC-Vorrichtung), kann man

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sagen, daß die Vorrichtung mit einer realen Eintrittsöffnung HN und einer virtuellen Quelle EF arbeitet; demgemäß wären die typischen Extremstrahlen durch die unterschiedlichen Punkte in der Eintrittsöffnung HN so wie in Fig. 2 gezeigt. Es sei bemerkt, daß die CPC-Konstruktion alle Strahlen, einfallend zwischen HN innerhalb eines gegebenen Winkels, nimmt und sie zu GM lenkt, was im Gegensatz zu der neuen Konstruktion steht, die alle zwischen HN einfallenden und zu EF gerichteten Strahlen nimmt und sie zu GM lenkt. Die durch die neue Konstruktion erreichte Konzentration hängt von der Länge der Spiegel 18 und 19 bezüglich des Abstands zwischen der tatsächlichen Quellen und der virtuellen Quelle EF ab.

Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß dann, wenn die Außenoberflächen reflektieren, sie auch als Konzentrationsvorrichtungen wirken würden und auf die Außenoberflächen 18 und 19 auf den Streifen EF gerichtete Strahlen aufnehmen würden und diese in Gebiete zwischen G und E und M und F konzentrieren würden.

Es sei ferner bemerkt, daß die physikalische Absorptionsvorrichtung oder Quelle an einer Stelle unterschiedlich vom virtuellen Lambert-Strahler, beispielsweise bei RS in Fig. 2, angeordnet sein kann. Dies kann vorteilhaft sein bei der Verminderung der Anzahl der Reflexionen oder beim Einsparen von Spiegelfläche mit einem geringen Verlust hinsichtlich der effektiven Konzentration. Dies ist analog zu der Stumpfbildung bei CPC-Konstruktionen.

Bei der Konstruktion von zweidimensionalen oder trogförmigen Kollektoren ist es einfach notwendig anzunehmen, daß die gewünschte Energieabsorptionsvorrichtung als ein effektiver Lambert-Strahler wirkt und daß man ferner ein Strömungsmuster annimmt, welches mit der Geometrie eines solchen effektiven Strahlers in Beziehung steht. Die Spiegel werden sodann längs der Strömungs- oder Flußlinien des

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angenommenen Muster positioniert, so daß sie an den Kantenpunkten der gewünschten Eintrittsöffnung enden. Es gibt eine Vielzahl von möglichen Konstruktionen, die eine ideale Konzentration erreichen. Wenn beispielsweise ein flacher Energieabsorber als in effektiver Weise strahlend angenommen wird, wie wenn die flache Oberfläche mit undendlich langen Seiten verbunden ist, um einen abgestumpften Keil zu bilden, so ist das Strömungsmuster eine Vielzahl von Parabeln, die genau mit der Parabolkonstruktion zusammenfallen, die in dem erwähnten CPC-Patent beschrieben ist. In ähnlicher Weise können alle anderen Konstruktionen, die durch die bereits erwähnten optischen Verfahren entwickelt wurden, mit dem effektiven Lambert-Strahler mit unendlich langen Seiten in Übereinstimmung gebracht werden. Die hier beschriebene neue Klasse von Konzentrationsvorrichtungen sind diejenigen, deren Empfänger effektive Lambert-Strahler sind, die derart strahlen als wären sie eine Quelle von endlicher Abmessung. Auf diese Weise kann man sie von den in den oben genannten Patentschriften beschriebenen Konstruktionen unterscheiden. In praktischer Hinsicht werden die CPC-Kollektorvorrichtungen im allgemeinen für die meisten Anwendungsfälle bevorzugt, weil sie maximale Konzentration mit einer geringeren durchschnittlichen Zahl an Reflexionen erreichen.

Die zweidimensional Konzentrationsform kann in einer praktischen, in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung verwendet werden. Hier sind die Seitenwandformen 30 parallel zu einer Achse zur Bildung einer trogförmigen Vorrichtung erstreckt. Jeder Energiewandler 34, der beispielsweise eine Anordnung von photovoltaischen Zellen sein kann, ist am Boden des Trogs angeordnet und die von der Sonne 36 ausgehende Energie wird durch Wände 30 auf diesen Wandler gelenkt. Es sei darauf hingewiesen, daß der im Ausführungsbeispiel gezeigte Wandler 34 nicht flach, sondern konvex ausgebildet ist. Das Prinzip der Involute zur Energieleitung zum schattigen Absorber, gekoppelt mit einem oberen Reflektorteil (wie in US-PS 4 002 beschrieben), ist auch bei dieser Konstruktion anwendbar.

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Dreidimensionale Konzentrationsvorrichtungen, d.h. konusförmige Konzentrationsvorrichtungen, unter Verwendung der CPC-Konstruktion, haben nicht das maximal mögliche theoretische Konzentrationsverhältnis, da ein kleiner Teil der ankommenden Strahlen an und nahe den extremen Aufnahmewinkeln stets nach Mehrfachreflexionen zurückgeworfen werden. Es erhebt sich die Frage, ob das neue Konstruktionsprinzip auf dreidimensionale Lenk- oder Leitvorrichtungen angewandt werden kann.

Fig. 4 zeigt einen effektiven Scheibenstrahler 40 der Lambert-Bauart mit endlicher Abmessung. Wie im zweidimensionalen Fall zeigt der Strahler einen geometrischen Vektorfluß. Ein konusförmiger oder trompetenförmiger Reflektor entsprechend den Flußlinien, die den Umfang der Scheibe 40 schneiden, wird als Lenk- oder Leitelement verwendet. Für den hochsymmetrischen Fall der Scheibe ist die dreidimensionale Flußströmungsoberfläche das gedrehte zweidimensiona-Ie Hyperbelprofil der Fig. 2. Darüber hinaus wird der detaillierten Gleichgewichtsbedingung Genüge getan. Daher ist der hyperbolische Konus ideal. Es kann natürlich, wie erwähnt, aus praktischen Gründen vorteilhaft sein, die physikalische oder körperliche Ausbildung der Scheibe etwas dichter zur Eintrittsöffnung anzuordnen als die theoretische Scheibe 40.

Im dreidimensionalen Fall ist man nicht auf symmetrische Strukturen beschränkt. Dies bietet große Möglichkeiten für die Konstruktion, da es eine große Verschiedenheit an Oberflächen gibt, die Strömungslinien enthalten. Beispielsweise kann man - wie in Fig. 5 gezeigt - zwei konzentrische Strömungslinien 44 und 4 5 nehmen, sowie zwei Meridianebenen 46 und 47, die eine ideale Konzentrationsvorrichtung bilden könnten mit quasi rechteckigen Eintritts- und Austrittsöffnungen 48 bzw. 49 sowie einem kreisförmigen Aufnahmekonus, wobei eine solche Vorrichtung auf dem Gebiet der Spektroskopie oder anderen Gebieten angewandt werden könnte.

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Es sei bemerkt, daß allein die Rotation eines idealen zweidimensionalen Profils um eine Achse nicht notwendigerweise ein ideales dreidimensionales System liefert. Es ist nicht so, weil abhängig von der Form am effektiven Strahler, wenn das zweidimensionale Flußprofil zur Bildung eines Konus verdreht wird, die Strahlen nicht mehr mit der Bedingung des detaillierten Gleichgewichts übereinstimmen könnten und weil die Strömungslinien sich von dem zweidimensionalen Fall unterscheiden können. Wenn beispielsweise der abgestumpfte Keil mit unendlichen Seiten, der,wie oben beschrieben, der CPC-Vorrichtung Anstieg erteilt, zur Bildung eines abgestumpften Konus rotiert würde, so sind die Strömungslinien für den abgestumpften Konus nicht nur die Strömungslinien des gedrehten Keils. Um eine ordnungsgemässe Konstruktion für diese Fälle, beispielsweise die CPC-Vorrichtung, vorzusehen, muß man bestimmen, was in der Tat die Flußlinien für den Konus sind, und zwar geschieht dies durch nummerische Verfahren, da dies nicht einfache Kurven, d.h. Parabeln des zweidimensionalen Falles sind. Das Verfahren sieht im wesentlichen vor, daß das Integral der Gleichung (1) ausgewertet wird, und zwar dadurch, daß man die Ansicht des effektiven Strahlers, wie er von einem gewählten Punkt im Raum aus gesehen wird, zu einem Richtungskosinusraum überträgt. Man kann dann die Gleichung (3) oder die äquivalente Gleichung (4) verwenden, um die Flußlinien von <J zu bestimmen.

Die Oberfläche durch die Flußlinien, beginnend von der Kante des Strahlers, der für die CPC-Vorrichtung der unendliche abgestumpfte Konus ist, ergibt dann eine neue Form unterschiedlich von der dreidimensionalen CPC-Vorrichtung, aber beginnend und endend an den gleichen Kreisen für ein gegebenes Konzentrationsverhältnis und Eingangswinkel,. Diese dreidimensionale Konzentrationsvorrichtung kann nicht ideale Konzentrationseigenschaften haben, da sie nicht ideal ist für die Meridianstrahlen, da nur die CPC-Form dies tut. Die Konstruktion erfolgt jedoch um den Fluß herum, der durch alle Strahlen, schräge sowie Meridian-Strahlen, definiert

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ist, und da die Meridianstrahlen einen Satz von null etendue bilden, nähert sich die dreidimensionale Strömungskonzentrationsvorrichtung nähex als die CPC-Vorrichtung dem theoretischen maximalen Konzentrationsverhältnis.

Ein spezielles Gebiet, wo die neuen Konstruktionen Vorteile gegenüber den CPC-Konstruktionen besitzen, liegt dort, wo der Kollektor als ein Sekundärempfänger verwendet wird, da der Empfänger dann sehr dicht zur tatsächlichen Quelle liegt. Die Verwendung einer CPC-Vorrichtung oder ähnlicher Vorrichtung als eine Konzentrationsvorrichtung der zweiten Stufe - wie in US-PS 3 957 o31 gezeigt - hat einen praktischen Nachteil hinsichtlich der Führung eines Konzentrationssystems zur Hinweisung zur Sonne, wie bereits beschrieben.

Die Verwendung des neuen Konstruktionsprinzips ermöglicht das Angeben einer Konzentrationsvorrichtung, die diese Probleme nicht aufweist. Die in den Fig. 2 und 4 gezeigten Konzentrationsvorrichtungen können a . verbesserte Konzentrationsvorrichtungen in der zweiten Stufe arbeiten. Es sei der streifenförmige oder flache Absorber in Fig. 2 betrachtet, der als eine Konzentrationsvorrichtung zweiter Stufe gemäß Fig. 6 verwendet wird. Die Flußlinien des Vektorflusses ^ sind konfokale Hyperbeln, wie beschrieben. Es werden Spiegel 50 entlang jeder dieser Linien ohne Störung des Flusses angeordnet. Diese Hyperbelkonzentrationsvorrichtung paßt sehr gut für das Erfordernis einer Konzentrationsvorrichtung der zweiten Stufe. Die Verwendung erfolgt mit dem Bild der Sonne 51 von dem Primärkollektor 52 fokussiert auf die Ebene des Streifens 54. Auf diese Weise ist die Eintrittsöffnung sehr viel größer als das Sonnenbild und ein gegebener Fehler beim Führen ruft wesentlich weniger Flußverlust hervor,als dies bei einer CPC-Vorrichtung als zweiter Stufe der Fall wäre. Ferner erreicht ein großer Anteil der Strahlen die Austrittsöffnung nach mehr als einer Reflexion. Während dies ein Nachteil sein kann, wenn die Reflexionsverlust kritisch sind, ist es doch ein Vorteil insoferne, als mehr Reflexionen in einer nichtabbildenden Konzentrationsvorrichtung eine gleich-

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förmigere Flußverteilung in der Austrittsöffnung liefern, wenn die Eintrittsöffnung nicht vollständig gefüllt ist, was eine sehr zweckmäßiger Maßnahme ist.

In Fig. 6 ist als Beispiel eine Parabel mit zwei Meter Brennweite als Konzentrationsvorrichtung 52 der ersten Stufe vorgesehen, und zwar mit einem Konvergenzwinkel von ^30 , d.h. nominellem F/l. Dies erzeugt ein Sonnenbild von 20 mm Durchmesser, so daß der erfindungsgemäße Basis- oder Grundstreifen 54 oder die virtuelle Quelle EF der Fig. 2 für die Hyperbeln 20 mm breit ist. Man hat nun die Wahl, welche Hyperbel man verwendet. Es seien zwei mögliche Hyperbeln betrachtet, und zwar beginnend bei 12 bzw. 11 mm Breite. Wie zu erwarten, trifft die 12 mm-Hyperbel den Extremstrahl früher und ergibt eine kürzere Konzentrationsvorrichtung, hat aber ein niedrigeres Konzentrationsverhältnis. Das Erreichen von genau dem Konzentrationsverhältnis von 2, erforderlich um das ganze System bis zur theoretischen Maximalkonzentration zu bringen, würde eine unendlich lange Konzentrationsvorrichtung erfordern. Es wurden jedoch die Aberrationen der Parabel ignoriert und es ist praktisch möglich, die zweite Stufe lang genug zu machen, um ihre Verluste mit denen der ersten Stufe vergleichbar zu machen.

Es sei bemerkt, daß die obigen zweidimensionalen Betrachtungen auf den dreidimensionalen Fall anwendbar sind, wo primär eine Parabolschale vorgesehen ist und die Sekundärstufe der hyperbelförmige Trompetenkonus der Fig. 4 ist. Darüber hinaus können durch Verwendung einer Linse als primäres Fokussierelement an Stelle eines Spiegels brauchbare Konfigurationen in sowohl zwei als auch drei Dimensionen erzeugt werden.

Bei der Aufzeichnung von Strömungslinien von Quellen, wie beispielsweise dem abgestumpften Konus oder flachen Ober-

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flächen, verbunden mit unendlichen Ebenen, besteht keine Beschränkung auf volle lambertsche Strahler. Brauchbare Ergebnisse können erhalten werden durch Annahme von Quellen, die gemäß dem lambertschen Gesetz nur innerhalb eines beschränkten Winkels θ< TrV2 zur Normalen arbeiten und ausserhalb dieses Bereichs nicht strahlen. Dies führt beispielsweise zu der CPC-Vorrichtung für beschränkten Austrittswinkel, wie dies in US-PS 4 130 107 beschrieben ist, und durch geeignete Wahl der Strömungslinien können rechteckige und andere öffnungen als nahezu ideale Konzentrationsvorrichtungen vorgesehen werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Strömungs- oder Flußlinien ihrem eigenen Brechungsgesetz, welches sich vom snellschen Gesetz unterscheidet, genügen, welches beispielsweise in zwei Dimensionen wie folgt bestimmt ist:

η sin(e-u) = n¹ sinfd-u¹) (5),

dabei ist IgI = 2n sinu, /jJ ¹I = 2η¹ sinu¹, θ und Θ¹ sind die Winkel zwischen der Flußlinie und der Normalen auf den beiden Seiten der Grenzfläche und n, n¹ sind die entsprechenden Brechungsindizes.

Dies wird in der Konstruktion ebenso berücksichtigt, wie dies bei den CPC-Konstruktionen beispielsweise gemäß US-PS 4 114 592 geschehen kann.

Die hier beschriebenen Konstruktionsprinzipien sind bei Betrachtungen hinsichtlich Mehrfachwandler (d.h. mehrfachen effektiven Strahlern) anwendbar. Man stellt die Strömungslinien auf durch Summierung der mit jedem Wandler verbundenen Vektorfelder. Die Summierung der Felder kann mit gleichem Gewicht oder ungleichem Gewicht erfolgen.

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Claims

26. September 1979 79-R-3651

U.S. Department of Energy, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Leitvorrichtung für Strahlungsenergie

Patentansprüche

Leitvorrichtung für Strahlungsenergie mit einem Energiewandler von besonderer Gestalt derart, daß der Wandler (16) die Eigenschaften eines Strahlers mit endlicher Abmessung zeigt und gemäß dem Gesetz von Lambert innerhalb eines beschränkten Winkels von weniger als oder gleich 90° strahlt, wobei die Flußlinien des geometrischen Vektorflusses teilweise nichtlinear verlaufen und eine erste reflektierende Wand vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die transversale Querschnittsform der ersten reflektierenden Wand (18) längs einer ersten Flußlinie des geometrischen Vektorflusses liegt, und zwar erzeugt durch den Wandler (16), wo der Wandler Strahlungsenergie emittiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spezielle Gestalt des Wandlers derart ist, daß dort, wo der transversale Querschnitt der Gestalt des Wandlers ein Strahlungsenergieemitter sich befindet, wobei der Wandler die Eigenschaften eines Lambert-Strahlers von endlicher Abmessung zeigen würde und innerhalb eines eingeschränkten Winkels gleich 90° in der Ebene des Querschnitts strahlt, dessen Flußlinien des geometrischen Vektorflusses teilweise nichtlinear sind, und wobei die transversale Querschnittsform der ersten reflektierenden Wand in der Ebene entlang einer ersten Flußlinie des geometrischen Vektorflusses liegt, und zwar erzeugt durch den Wandler, wobei der Wandler Strahlungsenergie emittiert.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler ein Energieabsorber ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zweite reflektierende Wand, deren trän, /ersale Querschnittsform in der erwähnten Ebene längs einer zweiten Flußlinie des geometrischen Vektorflusses liegt, der durch den Absorber erzeugt wird, wobei der Absorber Strahlungsenergie emittiert und die zweite Wand entgegengesetzt zu der ersten Wand angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der transversale Querschnitt des Energieabsorbers linear verläuft.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Form jeder der Wände eine Hyperbel ist, deren jeder Brennpunkt an einem Ende des Linearabsorbers liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Querschnitte der Wände und des Absorbers parallel zu einer Achse erstreckt sind, um ein trogartiges Gebilde zu formen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Querschnitte der Wände und des Absorbers symmetrisch ausgebildet sind und um eine Achse verdreht sind, um eine trompetenartige Struktur zu.bilden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Querschnitte der Wände und des Absorbers asymmetrisch sind und um eine Achse verdreht sind, um einen Partialquerschnitt von trompetenförmiger Struktur zu bilden.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Primärenergiequelle Energie auf die erwähnte Vorrichtung lenkt.
11. Vorrichtung zum Sammeln von Strahlungsenergie von einer Quelle, gekennzeichnet durch

einen Energieabsorber mit einer speziellen transversalen Querschnittsform in einer Ebene, einer ersten reflektierenden Wand, deren transversaler Querschnitt in der erwähnten Ebene liegt, und zwar entlang der Flußlinie des geometrischen Vektorflusses, erzeugt durch die erwähnte Querschnittsform des Absorbers, wo die Querschnittsform von einer ersten Position aus strahlt,und wobei die tatsächliche Position der erwähnten Querschnittsform zwischen der Quelle und der erwähnten ersten Position liegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine zweite Wand, deren transversaler Querschnitt in der erwähnten Ebene längs einer weiteren Flußlinie des geometrischen Vektorflusses liegt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Querschnitte des Absorbers und der Wände parallel zu einer Achse erstreckt sind, um eine trogartige Struktur zu bilden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Querschnitte des Absorbers und die Wand um eine Achse verdreht sind, um eine trompetenartige Struktur zu bilden.

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