DE3308578C2 - Lichtbrechungskörper zum Konzentrieren von Sonnenstrahlen auf eine Sammelfläche - Google Patents
Lichtbrechungskörper zum Konzentrieren von Sonnenstrahlen auf eine SammelflächeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Lichtbrechungskörper
zum Konzentrieren
von auf ihn auftreffenden Sonnenstrahlen auf eine Sammelfläche.
Um Lichtbrechungskörper zu erhalten, die für die Konzentrie
rung von Sonnenenergie eingesetzt werden können, wurden in
der Vergangenheit häufig Linsen mit Fresnel-Profil einge
setzt, um ein Bündel von parallelen Strahlen auf den Brenn
punkt zu konzentrieren. Lichtbrechungskörper, die solche
Linsen verwenden, sind bereits vorgeschlagen worden; diese
Lichtbrechungskörper werden entweder auf Vorrichtungen an
geordnet, die dem Lauf der Sonne folgen, oder sie können
auch stationär angebracht werden; im zuletzt erwähnten Fall
werden sie jedoch mit geeigneten Elementen gekoppelt, die
das Vorhandensein eines Mechanismus, der dem Lauf der Sonne
folgt, simuliert.
Die Anwendung solcher Lichtbrechungskörper ist jedoch rela
tiv aufwendig und dementsprechend kostspielig; aufgrund ih
rer komplexen Konstruktion hat deshalb die Realisierung zu
Problemen geführt.
Aus der DE 81 27 595 U ist ein Lichtbrechungskörper bekannt,
der in der Art einer Fresnel-Linse Stufenlinsen bildende
Prismen aufweist, die abschnittsweise zur Erzeugung von
Sonnenstrahlenbündeln verschiedener Richtungen
zusammengefaßt sind, wobei sich sämtliche
Sonnenstrahlenbündel auf einer einem Wandler zugehörigen
Sammelfläche überlappen. In der genannten Druckschrift ist
eine Vorrichtung mit zwei solchen V-förmigen zueinander
geneigten Lichtbrechungskörpern beschrieben, wobei der
Wandler auf einer Achse vorgesehen ist, zu der die beiden
Lichtbrechungskörper symmetrisch angeordnet sind und die
sich in Richtung der einfallenden Sonnenstrahlen erstreckt.
Damit bei Änderung des Einfalls der Sonnenstrahlen weiterhin
eine Umlenkung der Sonnenstrahlen auf die mit dem Wandler
verbundene Sammelfläche erfolgt, muß die Vorrichtung dem
Sonnenstand entsprechend nachgeführt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
neuartigen Lichtbrechungskörper zu schaffen, der den Aufbau
einer Vorrichtung zur Verdichtung und Sammlung von
Sonnenstrahlen ermöglicht, bei der keine Nachführung zur
Anpassung an die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlen
erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Durch diese erfindungsgemäße Lösung läßt sich ohne Maßnahmen
zur Nachführung gewährleisten, daß auf die Empfängerfläche
auftreffende Sonnenstrahlen verdichtet und einer
Sammelfläche zugeführt werden, wobei der Flächeninhalt der
Sammelfläche wegen der begrenzten Verschiebung des
Lichtflecks auf der Sammelfläche klein im Vergleich zur
Empfängerfläche des Lichtbrechungskörpers sein kann, so daß ein Wandler mit einer
kleinen Empfängerfläche, die durch den Lichtfleck weitgehend
ausgeleuchtet wird, verwendbar ist.
Mit dem neuen Lichtbrechungskörper können nun einfachere und damit leichter einzusetzen
de Systeme entwickelt werden. Die Herstellung der oben er
wähnten Refraktor-Sektionen führt jedoch immer zu Herstel
lungsproblemen und damit zu relativ hohen Herstellungskosten.
Ein solcher Lichtbrechungskörper kann insoweit als revolu
tionär angesehen werden, als er sowohl leicht als auch mit
relativ geringen Kosten aus jedem geeigneten, massiven trans
parenten Material hergestellt werden kann; es ist beispiels
weise auch möglich, jede herkömmliche Anlage für die Anfer
tigung von kontinuierlichen Glasscheiben zu diesem Zweck
einzusetzen.
Weiterhin läßt sich durch Verwendung des Systems nach der
vorliegenden Erfindung die gezackte Oberfläche des Licht
brechungskörpers noch leichter mit geeigneten Schichten aus
hochreflektierendem Material bedecken, um die Zerstreuung
von Energie, die an dem Benutzersystem reflektiert wird,
nach außen hin so gering wie möglich zu machen; der Licht
brechungskörper nach der vorliegenden Erfindung bildet den
Deckel dieses Benutzersystems.
Bei herkömmlichen Lichtbrechungskörpern war im Gegensatz
hierzu die Ablagerung bzw. Aufbringung der reflektierenden
Schichten relativ aufwendig, da hierbei die sehr unregel
mäßigen Oberflächenformen berücksichtigt werden mußten.
Der Licht
brechungskörper nach der vorliegenden Erfindung kann als Modul-
Bauteil für größere Sammleroberflächen eingesetzt werden.
Zu diesem Zweck können in der Praxis Lösungen aus Mehrfach-
Kombinationen entwickelt und realisiert werden; um das dem
Modulbauteil zugeordnete Konzentrations-Verhältnis aufrecht
zuerhalten, werden so viele Sektoren der Sammleroberfläche
vorgesehen, wie Modul-Bauteile eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die beiliegende, schemati
schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt bzw. eine fragmentarische Ansicht
des Lichtbrechungskörpers nach der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 1a im vergrößerten Maßstab eine Ansicht eines
einzigen, geraden
Prismas des Lichtbrechungskörpers,
Fig. 2 eine schematische Ansicht des Lichtbrechungs
körpers zur Erläuterung der Definition der
"Brennweite",
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Lichtbre
chungskörpers nach Fig. 1 in der Stellung,
in der die Sonnenenergie auf seine flache
Fläche fällt,
Fig. 4 einen Graphen, bei dem das Konzentra
tionsverhältnis über dem Abstand der Sammel
fläche von dem Lichtbrechungskörper auf
getragen ist,
Fig. 5 Sonnenabbildungen, die durch den Lichtbre
chungskörper auf der Ebene maximaler Konzen
tration von 8 Uhr bis 12 Uhr übertragen
werden, und
Fig. 6 eine graphische Darstellung, bei der die am weitesten
außen liegenden Strahlen aufgetragen sind, die
durch die prismatischen Elemente gebrochen wer
den; diese Kurvendarstellung wird zur Bestimmung
des Abstandes der Ebene maximaler Konzentration
vom Lichtbrechungskörper verwendet.
Wie man aus den Zeichnungen erkennt, liegt das Grundziel
der vorliegenden Erfindung, wie bereits oben erwähnt wurde,
darin, eine Lichtbrechungs-Sektion zu entwickeln, die ei
ne zeitlich feste Lage hat, deren Lage sich also im Laufe
der Zeit nicht ändert, insbesondere nicht dem Lauf der Son
ne nachgeführt werden muß; zu diesem Zweck werden verschie
dene afokale Strukturelemente verwendet, d. h., gerade
Prismen p, die Seite-an-Seite angeordnet sind und geeigne
te Abmessungen haben, so daß während eines wesentlichen
Teiles des Tages, d. h., des Einfalls von Sonnenlicht, ein
Konzentrationsverhältnis C von mindestens 2,6, also
C 2,60 aufrechterhalten werden kann.
In diesem Fall wird unter dem Begriff "Konzentrationsver
hältnis C" das Verhältnis zwischen der Breite L des Licht
brechungskörpers R und der Breite L′ der von der Sonne be
strahlten Oberfläche auf einer Sammelfläche während
des berücksichtigten Zeitraums eines Tages verstanden.
Die entscheidenden Merkmale des Systems nach der vorliegen
den Erfindung liegen darin, daß in dem Halbraum gegenüber
der Einfallsebene Pi der Sonnenstrahlen eine Ebene existiert,
in der ein Konzentrationsverhältnis C 2,6, wie es oben
definiert wurde, für eine Zeitspanne von bis zu 8 Stunden
erreicht werden kann; die maximal erreichbare Zeitspanne
hängt im wesentlichen von der Jahreszeit ab. Diese Ebene
ist als Ebene maximaler Konzentration Pmc (Pmc = plane of
maximum concentration) definiert (siehe Fig. 1).
Zusätzlich zur Ebene maximaler Konzentration Pmc kann die
Sonnenenergie auf jeder anderen Ebene gesammelt werden, die
sich in einem beliebigen Abstand d von der flachen Oberflä
che des Lichtbrechungskörpers R befindet.
Selbstverständlich steht das erreichte Konzentrationsver
hältnis C in Beziehung zu dem Abstand d: Je näher diese
Ebene beim Lichtbrechungskörper R liegt, um so kleiner wird
das Konzentrationsverhältnis sein.
Wie bereits oben erwähnt wurde, besteht der Lichtbrechungs
körper R nach der vorliegenden Erfindung aus geraden
Prismen p oder besser gesagt aus zwei Gruppen solcher Pris
men, von der jede ihre eigenen geometrischen Eigenschaften hat.
Die beiden Gruppen von Prismen sind an einer geeigneten
Achse Q verbunden, und werden beispielsweise mittels einer
flachen Tragschicht, deren Dicke eo keine kritische Größe
für die optische Leistung des Systems darstellt, zu einem
einstückigen Bauteil verbunden.
Der Aufbau, die Abmessungen (die Höhe e, die Breite l,
die Tiefe h) (siehe die Fig. 1, 1a) und die Zahl der
verschiedenen geraden Prismen p, die über und unter
der Verbindungsachse Q (siehe Fig. 1 bis 3) angeordnet
sind, werden so ausgelegt, daß ein Lichtbrechungskörper
R entsteht, der die Abwanderung des konzentrierten Sonnen
bildes auf Grund der scheinbaren Bewegung der Sonne auf
einer bestimmten Ebene (der Ebene der Maximalkonzentration
Pmc) extrem stark, also maximal, begrenzen kann.
Im einzelnen müssen die Prismen p so ausgelegt und ange
ordnet werden, daß von zwei Prismen das eine Prisma ps
über der Verbindungsachse Q und das andere Prisma pi unter
der Verbindungsachse liegen. Sie sind so angeordnet, daß
sie die einfallenden Sonnenstrahlen in gleichentfernten
Punkten in einem Abstand (yi) von der Achse Q sammeln.
Dabei muß das untere Element pi immer eine kleinere
"Brennweite" f als die Brennweite f′ des oberen Elementes
ps (siehe Fig. 2) haben.
Die "Brennweite" eines Prismas p in bezug auf einen ge
gebenen Radius und eine gegebene Lage des Prismas wird als
der Abstand des Schnittpunktes zwischen der geraden Linie,
die senkrecht auf dieser Fläche steht und durch die Ver
bindungsachse Q verläuft, und dem am weitesten außen lie
genden Lichtstrahl, der sich durch das Prisma p fortpflanzt,
wenn der Einfallswinkel auf der flachen Ebene den Wert Null
hat, von der flachen Fläche des Lichtbrechungskörpers R
definiert.
Aus Fig. 1 läßt sich erkennen, daß bei Elementen mit einer
maximalen Höhe e = 3 mm die Sonnenstrahlen auf der geographi
schen Breite von 42°N am 22. Juni 8 Stunden lang durch
Prismen pi mit einer Breite l₁ = 4 mm, die sich im unteren
Bereich des Lichtbrechungskörpers R befinden, und durch
Prismen ps mit einer Breite l₂ = 13 m oder weniger, die
sich im oberen Teil des Lichtbrechungskörpers befinden,
total reflektiert werden.
Dies wird erreicht, indem die flache Oberfläche des Licht
brechungskörpers R mittags mit Ost/West-Ausrichtung senk
recht zur Richtung der Sonnenstrahlen ausgerichtet werden.
In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen α den Winkel, der
durch die Achse der gebrochenen Strahlen mit der horizon
talen Ebene T gebildet wird.
Im Detail wird eine minimale Breite von 4 mm für die unte
ren Elemente pi und von 6,5 mm für die oberen Elemente auf
rechterhalten.
Die am weitesten außen liegenden Elemente erzeugen eine
Totalreflexion für eine Mindestzeitspanne von 8 Stunden,
so daß bei anfänglichen, geringen Energieverlusten optimale
Betriebsbedingungen erreicht werden.
Nachdem die Elemente mit minimaler Breite l als obere und
untere Elemente ausgelegt worden sind, wurden durch weitere
Versuche die Abmessungen der Zwischenprismen p festgelegt,
um die maximale Konzentration C auf einer bestimmten Ebene
zu erreichen; als erste Näherung wurde diese Ebene in einem
Abstand d = 350 mm von der flachen Fläche des Lichtbre
chungskörpers R festgelegt.
Der untere Teil des Lichtbrechungskörpers R (siehe wieder
Fig. 1) ist sehr viel aufwendiger und auch größer als der
obere Teil; bei dieser Ausführungsform sind 42 Prismen p
mit unterschiedlicher Breite l in dem unteren Teil vorge
sehen, während es neun Prismen p mit unterschiedlicher
Breite l im oberen Teil gibt.
Der Lichtbrechungskörper R nach der vorliegenden Erfindung
kann aus jedem geeigneten transparenten Material aufgebaut
werden. Geht man beispielsweise von einem transparenten
Material mit dem Brechungsindex 1,5 aus, so kann der Licht
brechungskörper R die Abbildung der Sonne auf einem bestimm
ten Punkt konzentrieren und jede Abweichung von diesem
Punkt begrenzen, so daß sich während der Zeit von 8 Uhr
bis 16 Uhr das folgende Konzentrationsverhältnis ergibt:
(siehe Fig. 3 bis 6);
dieser Wert gilt für eine Ebene maximaler Konzentration,
die sich in einem Abstand d = 358 mm befindet.
Fig. 4 zeigt, wie sich dieses Konzentrationsverhältnis
bei einer Verringerung dieses Abstandes von d = 358 mm
bis d = 0 ändert.
Die am weitesten außen liegenden Elemente legen die Total
reflexion fest. Der Energieverlust an diesen am weitesten
außen liegenden Elementen kann berechnet werden; es ergibt
sich, daß dieser Energieverlust nur 1,5% der durch Bre
chung verlorengehenden Energie während der Zeit von 8 bis
16 Uhr beträgt.
Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Abbildung der
Sonne, wie sie auf der Ebene maximaler Konzentration Pmc
erscheint.
Dabei bezeichnet das Bezugszeichen R den Umriß des Licht
brechungskörpers, während die Bezugszeichen La, Lb, Lc, Ld
und Le die Umrisse der Abbildung der Sonne während der Zeit
spanne von 8 Uhr bis 12 Uhr bezeichnen. Das Konzentrations
verhältnis läßt sich leicht ableiten.
Die Abbildungen der Sonne während der Nachmittagsstunden
sind nicht dargestellt, da diese Abbildungen die gleichen
Abmessungen wie die Abbildungen haben, die den jeweiligen
Morgenstunden entsprechen. Diese Abbildungen haben also
einerseits eine "zeitliche Symmetrie" um die Mittagsstun
de, also um 12 Uhr, sowie eine räumliche Symmetrie in be
zug auf die Mittenebene des Lichtbrechungskörpers.
Durch Berechnungen wurde festgestellt, daß sich die Ebene
maximaler Konzentration Pmc in einem etwas anderen Abstand
befindet, als er zunächst angenommen wurde, d. h., d = 358 mm.
In Fig. 6 stellt die Y-Achse die Ebene dar, auf der sich
die Flanken der prismatischen Elemente (siehe Fig. 1)
befinden, während auf der X-Achse der Abstand d aufgetra
gen ist; der obere Strahl rs entspricht dem Strahl, der
durch das am weitesten außen liegende Ende des neunten
oberen Elementes um 12 Uhr gebrochen wird; der untere
Strahl ri entspricht dem Strahl, der, wieder um 12 Uhr,
durch das am weitesten außen liegende Ende des 42. unteren
Elementes gebrochen wird; das Bezugszeichen rin stellt
schließlich den Zwischenstrahl dar, der um 8 Uhr durch
das zweite obere Element gebrochen wird.
Der Schnittpunkt zwischen ri und rin gibt die exakte Lage
der Ebene maximaler Konzentration Pmc, die sich in dem
Abstand d = 358,34 mm befindet.
Auf dieser Ebene haben während der Zeitspanne von 8 Uhr
bis 16 Uhr die maximalen und minimalen Koordinaten der
durchgelassenen Strahlen längs der Y-Achse die folgenden
Werte:
Y max = 118,14 mm
Y min = 53, 52 mm
Y min = 53, 52 mm
Dadurch wird ein Konzentrationsverhältnis C erhalten von:
Dabei ist 447 mm die Gesamtbreite der 51 prismatischen Ele
mente p, die die Breite L des Lichtbrechungskörpers R ge
mäß diesem Ausführungsbeispiel festlegt.
Der Lichtbrechungskörper R gemäß der vorliegenden Erfindung
kann mit einer Dicke e + eo von einigen wenigen Millimetern
ausgelegt werden, so daß er leichter wird als herkömmliche
Lichtbrechungskörper; außerdem hat er in bezug auf die
Energietransmission ein hohes Leistungsvermögen und einen
optimalen Wirkungsgrad.
Es läßt sich also feststellen, daß der Lichtbrechungskörper
R nach der vorliegenden Erfindung leichter aufgebaut und
einfacher gehandhabt werden kann als die üblichen Ausfüh
rungsformen, also insgesamt besser ist als die bisher be
kannten Systeme.
Diese Vorteile kommen noch zu dem wesentlichen Vorteil hin
zu, daß nun Sonnenenergie ohne Verwendung einer Vorrich
tung konzentriert werden kann, die dem Lauf der Sonne folgt.
Claims (5)
1. Lichtbrechungskörper (R) zum Konzentrieren von auf den
Lichtbrechungskörper (R) auftreffenden Sonnenstrahlen auf
eine Sammelfläche (Pmc) wobei
- a) der Lichtbrechungskörper (R) eine Basisplatte mit einer Empfängerfläche und einer Anzahl von geraden Prismen (p), die mit der der Empfängerfläche gegenüberliegenden Fläche der Basisplatte optisch verbunden und längs einer ersten von unten nach oben verlaufenden Richtung nebeneinander angeordnet sind, umfaßt,
- b) die Prismen (p) in einer Ebene, die durch die erste Richtung und die Flächennormale der Empfängerfläche aufgespannt wird, jeweils einen durch ein rechtwinkliges Dreieck gebildeten Querschnitt aufweisen und unter Bildung einer sägezahnartigen Oberfläche des Lichtbrechungskörpers (R) auf der der Empfängerfläche gegenüberliegenden Seite jeweils über eine ihrer Katheten mit der Basisplatte verbunden sind,
- c) die anderen zu der Basisplatte senkrechten Katheten maximal 3 mm lang sind,
- d) die Anordnung der Prismen (p) aus einer unteren und einer oberen Gruppe besteht,
- e) die senkrechten Katheten der oberen Gruppe von Prismen (p) den senkrechten Katheten der unteren, an die obere Gruppe angrenzenden Gruppe von Prismen (p) zugewandt sind, wobei die Anzahl der Prismen (p) in der unteren Gruppe größer als in der oberen Gruppe ist,
- f) die der Basisplatte zugewandten Katheten der Prismen (p) beider Gruppen mit zunehmendem Abstand von der Grenzlinie (Q) zwischen den beiden Gruppen kürzer werden und die Lichtstrahlablenkung durch ein Prisma (p) der unteren Gruppe jeweils größer ist als die Ablenkung durch ein im gleichen Abstand zu der Grenzlinie (Q) angeordnetes Prisma (p) aus der oberen Gruppe, und
- g) die Katheten, über die die Prismen (p) mit der Basisplatte verbunden sind, in der unteren Gruppe mindestens 4 mm und in der oberen Gruppe mindestens 6,5 mm lang sind.
2. Lichtbrechungskörper (R) nach Anspruch 1, wobei die
Prismen (p) einstückig mit der Basisplatte verbunden sind.
3. Lichtbrechungskörper (R) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anzahl der aneinandergrenzenden
Prismen (p) in der oberen Gruppe 9 und in der unteren Gruppe
42 beträgt.
4. Lichtbrechungskörper (R) nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelfläche (Pmc) zu dem
Lichtbrechungskörper (R) in einem Abstand von 358 mm
angeordnet ist.
5. Lichtbrechungskörper (R) nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die sägezahnartige Oberfläche
des Lichtbrechungskörpers (R) mit reflektierenden Schichten
bedeckt ist, die die Streuung von Energie minimieren.
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