DE3104690A1 - "solarenergiesystem" - Google Patents
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Description
- Solarenergiesystem
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Solarenergiesystem mit einem Paraboloidspiegel als Primärspiegel, dessen Öffnung der Solarstrahlung entgegengerichtet ist und der mit einer weiteren zentralen Öffnung versehen ist, und mit einem konvexen Sekundärspiegel.
- Konzentrierende Kollektoren für Solarenergieanlagen sollen mehrere Eigenschaften haben, die mit den bekannten sowohl ein- als auch zweidimensional fokussierenden Spiegel- und Linsenanordnungen nur in geringem Maße gleichzeitig erzielbar sind. Bei großem Querschnitt des telezentrischen Strahlenganges soll die Bautiefe des Kollektors gering, die optisch wirksame Oberfläche wenig strukturiert und das Offnungsverhältnis, d.h. das Verhältnis von Spiegeldurchmesser zur Brennweite, groß sein.
- Ferner soll das System in einfacher Weise auf die Richtung der Sonneneinstrahlung ausgerichtet werden können.
- Bei der Anwendung in solarthermischen Anlagen soll der Strahlungsempfänger thermisch gegen seine Umgebung gut isoliert sein. Bei solarvoltaischen Anlagen soll zwar die wirksame Strahlung fokussiert, Jedoch eine Aufheizung des Detektors weitgehend vermieden werden. In beiden Fällen soll zusätzlich zur gerichtet empfangenen Strahlung noch ein möglichst großer Anteil der diffusen Strahlung ausgenutzt werden.
- Es ist bekannt, daß für Solarenergiesysteme ein Spiegelteleskop verwendet werden kann, das einen als Paraboloid gestalteten Primärspiegel und einen konvexen Sekundär- spiegel enthält. Bei diesem sogenannten Cassegrain-System ist der als Reflektor dienende konvexe Sekundärspiegel in verhältnismäßig großer Höhe über dem Primärspiegel angeordnet. Die vom Sekundärspiegel reflektierten Strahlen gelangen durch eine zentrale Öffnung des Primärspiegels zum Brennpunkt, der sich unterhalb des Primärspiegels befindet. Die große Brennweite dieses bekannten Systems bewirkt ein geringes Konzentrationsverhältnis. Die Abbildung der Sonne erfolgt deshalb mit verhältnismäßig großer Fläche (DE-OS 27 22 992).
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Solarenergiesystem mit geringer Bauhöhe und hohem Konzentrationsverhältnis anzugeben, bei dem der Öffnungswinkel der auf den Empfänger treffenden Strahlung begrenzt ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. In dieser Ausführungsforin mit Cassegrain-Kollektor liegen der Brennpunkt des Paraboloidspiegels und der mit diesem Brennpunkt identische erste Brennpunkt des Hyperboloidspiegels wenigstens angenähert in der Eintrittsebene des als Primärspiegel dienenden Paraboloidspiegels. Der als Sekundärspiegel dienende Hyperboloidspiegel befindet sich somit innerhalb des durch den Primärspiegel umspannten Volumens, und die Bauhöhe ist deshalb wenigstens nicht wesentlich größer als die Höhe des Primärspiegels. Der zweite Brennpunkt des Hyperboloidspiegels liegt in der rückseitigen Schnittebene des Paraboloids. Der Halbparameter PH = b2 /a der erzeugenden Hyperbel des Sekundärspiegels wird so bemessen, daß der Durchmesser DH = 2.PH des Hyperboloids gleich groß ist wie der Durchmesser des Kreises, den die rückseitige Schnittebene des Paraboloids auf demselben erzeugt. Hierin ist a die halbe Hauptachse und b die halbe Nebenachse der erzeugenden Hyperbel. Der im zweiten Brennpunkt angeordnete Strahlungsempfänger befindet sich damit an einer konstruktiv besonders günstigen Stelle, nämlich unmittelbar an die hintere Schnittebene des Paraboloids anschließend. Mit dieser Kollektoranordnung läb sich ein hohes Konzentrationsverhältnis bis zu etwa 1000 bei gleichzeitiger Begrenzung des Öffnungswinkels der auf den Strahlungsempfänger treffenden Strahlung erzeugen, so daß die konzentrierte Strahlung die mit der rückseitigen Schnittebene identische Empfängerebene unter einem maximalen Einfallswinkel von etwa 270 trifft. Der genaue maximale Einfallswinkel hängt dabei vom Verhältnis der Durchmesser vom Primär-und Sekundärspiegel und vom Durchmesser der Empfängerfläche ab, durch welche das Konzentrationsverhältnis definiert wird.
- Der Strahlungsempfänger kann von einer optischen Grenzfläche umgeben sein, die im Bereich des Durchtritts der vom Sekundärspiegel reflektierten Strahlen eine zum zweiten Brennpunkt konzentrische Kugelfläche bildet.
- Diese Grenzfläche wird daher von der fokussierten Strahlung senkrecht durchstrahlt. Eine auf der Grenzfläche aufgebrachte Interferenz schicht zur Reflexionsminderung für die Solarstrahlung sowie zur Reflexionserhöhung für die vom als Absorber ausgeführten Empfänger rückgestrahlte Temperaturstrahlung erhält damit optimale Wirksamkeit.
- In einem Solarenergiesystem mit verhältnismäßig geringer Ausdehnung kann die Grenzfläche vorzugsweise zugleich einen Teil der Oberfläche des Trägerkörpers für einen Strahlungsempfänger bilden, der beispielsweise ein photovoltaisches Bauelement sein kann. Der Träger bildet zugleich einen guten Wärmeableiter für den Strahlungsempfänger.
- In einer besonderen Ausführungsform des Solarenergiesystems kann die optische Grenzfläche einen Teil des Gehäuses für einen Hohlraumabsorber bilden, dessen Öffnung wenigstens annähernd in der hinteren Ebene und konzentrisch zum zweiten Brennpunkt des Hyperboloids liegt. In dieser Ausführungsform wird die gesamte Strahlung in der Öffnung des Hohlraumabsorbers konzentriert und damit zur Erzeugung von Hochtemperaturwärme nutzbar gemacht. Die thermische Rückstrahlung des Hohlraumabsorbers kann dadurch vermieden werden, daß das Gehäuse außerhalb des zur Bestrahlung benötigten Raumwinkels auf seiner inneren Oberfläche mit einer Verspiegelung versehen wird. Ein derartiger Hohlraumabsorber kann vorzugsweise als Heizelement für eine Wärmekraftmaschine, vorzugsweise einen Heißgasmotor, verwendet werden.
- Zum Schutz vor Verschmutzung oder Beschädigung kann die der Solarstrahlung zugewandte Öffnung des Primärspiegels vorzugsweise mit einer Folie oder auch einer Scheibe abgedeckt werden. Unter Umständen kann es zweok#ßig sein, zur Erhöhung der Stabilität eine Scheibe mit nach außen leicht konvexer Krümmung zu verwenden. In dieSer Ausführungsform bildet das gesamte Solctrenergiesystem eine Baueinheit, ähnlich einem Autoscheinwerfer, und kann auch in gleichartiger Technologie hergestellt werden.
- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Solarenergiesystem nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist, bei dem die optische Grenzfläche einen Teil der Oberfläche eines Trägers für einen Strahlungsempfänger bildet. In Figur 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Hohlraumabsorber als Strahlungsempfänger vorgesehen ist.
- Das Solarenergiesystem nach Figur 1 enthält einen Cassegrain-Kollektor 2 mit einem Primärspiegel 4 mit dem Durchmesser Dp und einem Sekundärspiegel 6 mit dem Durchmeeser DH. Als Primärspiegel 4 ist ein Parabolspiegel vorgesehen, dessen Brennpunkt P1 in einer Ebene E1 liegt, die durch den äußeren Rand 8 der Spiegelfläche des Primärspiegels 4 gebildet wird. Die Spiegelfläche des Sekundär.piegels 6 bildet ein Hyperboloid, dessen erster Brennpunkt mit dem Brennpunkt P1 des Primärspiegels 4 identisch ist. Der Brennpunkt P2 des Hyperboloids liegt n einer Ebene E2, die durch den inneren Rand 12 der Spiegelfläche des Primärspiegels 4 gebildet wird. Der çrimärspiegel 4 ist in diesem Bereich mit einer nicht näh r bezeichneten zentralen Öffnung versehen, in der ei: Strahlungsempfänger 10 derart angeordnet ist, daß sicli seine zum Empfang der Solarstrahlung vorgesehene Oberfläche wenigstens annähernd im Bereich des Brennpunktes P2 befindet, in der die Solar-Strahlung nach der Reflexion am Sekundärspiegel 6 konzentriert wird. Die Solarstrahlung, deren Verlauf durch Pfeile 14 angedeutet ist, wird zunächst vom Primärspiegel 4 und dann vom Sekundärspiegel 6 reflektiert, und tritt dann senkrecht durch eine optische Grenzfläche 16 in der Fo in einer Kugelkalotte hindurch, die vorzugsweise einen ~weil der Oberfläche eines Trägers 18 bilden kann, der aus optisch transparentem Material, beispielsweise Glas, besteht, an dem der Strahlungsempfänger 10 befestigt ist. Der Trägerkörper 18 bildet zugleich einen Teil des Gehäuses für den Strahlungsempfänger 10, der vorzugsweise ein photovoltaischer Strahlungsempfänger, insbesondere eine Solarzelle mit einem Halbleiterkörper beispielsweise aus Galliumarsenid GaAs oder auch aus Silizium, sein kann.
- Wird in der dargestellten Ausführungsform des Solarenergiesystems mit einem Primärspiegel 4, dessen Tiefe wenigstens annähernd gleich dem Abstand der Brennpunkte P1 und P2 ist und bei dem der Durchmesser der Öffnungsebene E2 wenigstens annähernd gleich dem Durchmesser des Sekundärspiegels 6 ist, der Träger 18, der zugleich als Wärmeableiter für den Strahlungsempfänger 10 dient, aus einem Material herges ellt, dessen Brechzahl n1 wenigstens annähernd gle ch der Wurzel aus der Brechzahl n2 des Materials des S-rahlungsempfängers 10 ist, so erhält man eine erhebliche Verminderung der Reflexionsverluste der Solarstrahlung 14. Für einen Strahlungsempfänger mit einem Halbleiterkörper aus Silizium mit einer Brechzahl n2 = 3,9 wird der Träger 18 vorzugsweise aus einem Material hergestellt mit einer Brechzahl Mit diesem Trägermaterial werden beispielsweise die bei einem in Luft angeordneten Strah ungsempfänger 10 auftretenden Reflexionsverluste von etwa 35 % vermindert auf etwa 20 96. Der besondere Vor--eil des eine Kugelkalotte bildenden Trägers 18 bes;eht darin, daß auch gegen die Systemachse etwas geneigt eintretende Solarstrahlen 14 näher an den unteren Brennpunkt P2 herangeführt werden, so daß an die Ausrichtung des Solarenergiesystems auf die Einstrahlungsrichtung der Solarstrahlen 14 weniger hohe Anforderungen gestellt werden müssen.
- Der Träger 18 wirkt somit als Immersionslinse.
- In der Ausführungsform des Solar?nergiesystems nach Figur 2 dient als Strahlungsempfinger ein Hohlraumabsorber 20, der zur Energieversnrgung für eine Wärmekraftmaschine 22 vorgesehen ist, die vorzugsweise ein Heißluftmotor sein kann. Die Solarstrahlen 14 treten nach ihrer Reflexion am Primärspiegel 4 und Sekundärspiegel 6 durch die optische Grenzfläche 16 hindurch, die in dieser Ausführungsform einen Teil der Oberfläche eines Gehäuses 24 aus optisch transparentem Material bildet, das den Hohlraumabsorber 20 umschließt. Das Gehäuse 24 ist auf seiner inneren Oberfläche außerhalb des zur Bestrahlung benötigten Raumwinkels mit einer Verspiegelung 25 versehen, welche die thermische Rückstrahlung vermindert. Im Bereich des zur Bestrahlung benötigten Raumwinkels ist das Gehäuse 24 auf beiden Seiten mit reflexionsmindernden Schichten 26 und 27 für den Wellenlängenbereich der Solarstrahlung überzogen.
- Damit werden die Reflexionsverluste vermindert.
- In einer bevorzugten Ausführungsform des Solarenergiesystems nach Figur 2 ist der Hohlraumabsorber 20 mit einer kegelförmigen Randfläche versehen, die als schwach reflektierende Oberfläche gestaltet und poliert ist. Die zum Empfang der Solarstrahlung 14 dienende Randfläche kann insbesondere derart mehrfach gefaltet sein, daß sie mindestens einen, vorzugsweise mehrmals Jeweils einen Hohlkegelstumpf bildet, an dessen kleinerer Begrenzungslinie sich ein umgekehrt liegender erhabener Kegel anschließt. Die Spitze dieses Kegels liegt wenigstens annähernd in der Grundfläche des Kegelstumpfs und damit in der Ebene E2 der inneren Öffnung des Primärspiegels 4 oder innerhalb des vom Mantel des Kegelstumpfs umgebenen Raumes. In dieser Ausführungsform hat der Hohlraumabsorber 20 durch die mehrfache gerichtete Reflexion ein gutes Absorptionsvermögen und zugleich eine geringe Bauhöhe.
- Zum Schutz des Solarenergiesystems kann die vordere Öffnung des Primärspiegels 4 in der Ebene E1 mit einer Abdeckung 28 versehen sein, die beispielsweise aus einer transparenten Folie oder auch einer Scheibe bestehen kann und ein Fenster für die Solarstrahlung 14 bildet.
- Zur Erhöhung der Stabilität der gesamten Anordnung kann die Abdeckung 28 auch mit einer geringen Krümmung versehen sein. In dieser Ausführungsform kann die Abdeckung 28 mit dem gesamten System vorzugsweise eine gemeinsame Baueinheit bilden und in gleichartiger Technologie wie beispielsweise die bekannten Autoscheinwerfer ähnlicher Bauart hergestellt werden.
- 7 Patentansprüche 2 Figuren
Claims (7)
- Patentansprüche 1. Solarenergiesystem mit einem Paraboloidspiegel als rimärsliegel, dessen Öffnung der Solarstrahlung entgegengerichtet ist und der mit einer weiteren zentralen Öffnung versehen ist, und einem konvexen Sekundärspiegel, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Brennpunkt (P1) des Primärspiegels (4) wenigstens annähernd in der durch seinen äußeren Rand (8) begrenzten vorderen Ebene (E1) liegt und daß als Sekundärspiegel (6) ein Hyperboloidspiegel vorgesehen ist, dessen einer Brennpunkt mit dem Brennpunkt (p1) des Primärspiegels (4) identisch ist und dessen zweiter Brennpunkt (P2) in der durch den inneren Rand (12) der zentralen Öffnung des Primärspiegels (4) begrenzten hinteren Ebene (E2) liegt, und daß die vom Sekundärspiegel (6) reflektierten und zum zweiten Brennpunkt (F2) gerichteten Strahlen durch eine optische Grenzfläche (16) in Form einer Kugelkalotte senkrecht hindurchtreten, die einen Teil der Oberfläche eines Gehäuses für einen Strahlun#gsempfänger (10, 20) bildet.
- 2. Solarenergiesystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gehäuse als Träger (18) für den Strahlungsempfänger (io) vorgesehen ist.
- 3. Solarenergiesystem nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Träger (18) aus einem Material besteht, dessen Brechzahl (n1) angenähert gleich der Wurzel aus der Brechzahl (n2) des Materials des Strahlungsempfängers (10) ist.
- 4. Solarenergiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die optische Grenzfläche (16) wenigstens teilweise die Oberfläche des Gehäuses (24) für einen Hohlraumabsorber (20) bildet, dessen Öffnung seines Hohlraumes wenigstens annähernd in der hinteren Ebene (E2) und konzentrisch zum zweiten Brennpunkt (P2) liegt.
- 5. Solarenergiesystem nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gehäuse (24) außerhalb des zur Bestrahlung benötigten Raumwinkels auf seiner inneren Oberfläche mit einer Verspiegelung (25) versehen ist.
- 6. Solarenergiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine wenigstens angenähert in der vorderen Ebene (E1) liegende transparente Abdeckung (28) vorgesehen ist.
- 7. Solarenergiesystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hohlraumabsorber (20) als Heizelement für eine Wärmekraftmaschine (22) vorgesehen ist.
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