DE4006516A1 - Linearkonzentrator mit strahlungsumlenkung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Linearkonzentratoren für die Bündelung der Sonnenstrahlung zur Nutzung in thermischen, che­ mischen oder photovoltaischen Solarenergiewandlern, bei denen an die Stelle einer mechanischen Nachführung ein optisches System tritt, welches die Einstrahlung so umlenkt, daß sie sowohl für horizontale Strahlen als auch für zenitnahe Strahlen zu annä­ hernd gleichen Auftreffwinkeln auf dem Strahlenempfänger führt.

Es sind Solarwandler bekannt, bei denen mechanische Nachführsysteme die Konzentratoren in zwei Ebenen so verschwenken, daß sie stets dem Azimut und der Höhe nach exakt zur Sonne gerichtet sind. Aufgrund ihrer Kompliziertheit sind diese Systeme für eine konkurrenzfähige Sonnenenergiewandlung nur in Ausnahmefällen geeignet.

Wesentlich geringer ist der Aufwand, wenn nur zweidimensional konzentrierende Konzentratoren in Nord-Süd-Achse installiert einmal täglich um die Nord-Süd-Achse verschwenkt werden oder wenn parallel zum Durchmesser einer Plattform installierte Kon­ zentratoren dem Azimut der Sonne durch Verdrehung der Plattform um die Hochachse nachgeführt werden. Der Nachteil dieser Anord­ nung liegt aber darin, daß nur sehr geringe Konzentrationsver­ hältnisse erreichbar sind, da die Strahlungsempfänger nur ein­ mal während des Tages mit der Brennlinie die einem einzigen Höhenwinkel der Sonne zugeordnet ist, zusammenfallen. Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil.

Gemäß der Erfindung wird im Strahlengang eines Linearkonzentrators eine Scheibe angeordnet, die die horizontnahe Einstrahlung mit einem ersten Winkel und die zenitnahe Einstrahlung mit einem zweiten Winkel umlenkt, wobei diese Winkel annähernd den glei­ chen Betrag bei umgekehrtem Vorzeichen aufweisen. Durch diese Umlenkung wird ein wesentlich höherer Konzentrationsfaktor er­ reichbar, als mit bekannten, nur einachsig nachgeführten Syste­ men. Eine noch höhere Konzentration läßt sich verwirklichen, wenn in der Nähe des streifenförmigen Strahlenempfängers eine lineare Zerstreuungslinse in Form eines Stranges oder einer Fresnel­ linse angeordnet ist. Dazu wird der Abstand dieser Zerstreu­ ungslinse vom Strahlungsempfänger so gewählt, daß die Brenn­ linie in Einstrahlungsrichtung hinter der Zerstreuungslinse liegt, wenn der durch die Scheibe gebrochene Strahl senkrecht zur Brennlinie verläuft und die Brennlinie mit der Achse der Linse zusammenfällt, wenn der durch die Scheibe gebrochene Strahl den größten Winkel zur Brennlinie aufweist.

Die Erfindung soll anhand von Figuren erläutert werden.

Fig. 1 zeigt den Schnitt einer um die Hochachse rotierenden Plattform mit spiegelnden Konzentratoren.

Fig. 2 zeigt eine gleichartige Plattform mit Fresnellinsen-Kon­ zentratoren.

Fig. 3 zeigt die Aufrichtung der Strahlenbündel zur Erlangung einer höheren Konzentration bei gegebener Strahlungsempfänger­ breite.

Fig. 4 zeigt den Strahlungsverlauf in einem Konzentratorsystem gemäß Fig. 3 in einer zur Brennebene parallel verlaufenden Schnittebene.

Fig. 5 zeigt den Strahlungsverlauf bei einem spiegelnden Konzentrator.

Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Parabolrinnen-Konzentrator.

Fig. 7 zeigt die Wirkung einer Linear-Zerstreuungslinse im Strahlengang bei senkrechtem Auftreffen des gebrochenen Strahlen­ bündels.

Fig. 8 zeigt die Wirkung einer Linear-Zerstreuungslinse im Strahlengang bei schrägem Auftreffen des Strahlenbündels.

Fig. 9 zeigt einen Konzentrator, dessen sich kreuzende Prismen in Facetten aufgelöst sind.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine auf einer Wasserfläche gelagerte Plattform. Die Plattform schwimmt auf der Wasserfläche W und ist durch wassergefüllte Kanäle K beschwert. Im Innern herrscht ein geringer Luftüberdruck, wodurch die durch Drähte D gehaltene Plattformoberfläche PL in horizontaler Lage gehalten wird. Diese Plattformoberfläche besteht aus spiegelnden Fresnel­ konzentratoren, die die Einstrahlung S zu einem Strahlenbündel SB konzentrieren und auf den Strahlenwandler P richten. Die Plattform wird einmal täglich um die Hochachse HA gedreht und exakt dem Sonnenazimut nachgeführt, so daß die streifenförmi­ gen Strahlungswandler P jeweils genau in Richtung zur Sonne aus­ gerichtet sind.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der eine ebenfalls unter geringem Luftüberdruck stehende Plattform auf einem See W aufliegt. Die Plattform ist von einem Stahlrohr umgeben. Die Plattform rotiert, sie wird dabei von Rollen RO geführt, die zwischen einer Mauer RI und dem Stahlrohr liegen. Die Plattform wird vom See W getragen, der durch eine Folie KF vom Erdreich ge­ trennt ist. Die Konzentratoren DK-SCH sind als Fresnellinsen ausgebildet und durch ein Seilnetz SZ getragen, welches im torus­ förmigen Stahlrohr verspannt ist. Die Strahlungsempfänger P sind auf schwimmenden Betonpontons PT montiert. Die Pontons wei­ sen zwei Kammern Kl und Kr auf, die hälftig mit Wasser gefüllt sind, wobei deren Bodenbereiche miteinander kommunizieren. Neben dem Strahlungsempfänger P sind zwei luftgefüllte Hohlkörper Hl und Hr angeordnet. Trifft ein Teil des Strahlenbündels auf den linken Hohlkörper, so strömt durch Erwärmung verdrängte Luft in die linke Kammer Kl und verschiebt einen Teil des Wasser­ inhaltes in die rechte Kammer Kr, wodurch die rechte Seite des Pontons PT etwas absinkt, was zum Verschwenken des Strahlungs­ empfängers P führt, so daß der Brennbereich nach rechts wan­ dert.

Fig. 3 zeigt symbolisiert den Verlauf der von der Fresnellinse DK konzentrierten Strahlen SB, die parallel zur Neigung a der Einstrahlung verlaufen und zur Brennlinie B führen. In der glei­ chen Figur ist ein Teil der Fresnellinse DK mit einer erfindungs­ gemäßen Scheibe SCH abgedeckt. Dies bewirkt, daß die Strahlen­ bündel, SB1 bis SB3 senkrecht auf die Brennlinie B1 gerichtet sind. Diese Brennlinie B1 liegt um den Betrag h unterhalb der Brennlinie B.

Fig. 4 zeigt einen Vertikalschnitt durch den erfindungsge­ mäßen Konzentrator. Der horizontale Strahl SH wird beim Ein­ tritt in den Konzentrator ein erstes Mal und beim Wiederaustritt ein zweites Mal gebrochen und bildet mit dem Lot des streifen­ förmigen Strahlenempfängers P den Winkel +h. Der mit einer mittleren Schräge zur Vertikalen einfallende Strahl SV gelangt nach zweifacher Brechung senkrecht auf den Strahlungsempfänger P, der zenitnahe Strahl SZ erfährt ebenfalls eine zweifache Brechung und gelangt mit dem Winkel -z auf den Strahlungsem­ pfänger P. Diese Brechungen setzen voraus, daß die Flächen der Prismen FP1 und FP2 mit der Mittellinie MP spitze Winkel bilden und zur Sonne gerichtet divergieren.

Fig. 5 zeigt eine auf den Flächen SP verspiegelte Scheibe, die unterhalb des Strahlungsempfängers P angeordnet ist. Auch diese Scheibe bewirkt, daß die horizontnahe Einstrahlung SH und die zenitnahe Einstellung SZ mit gleichen Winkeln auf den Strahlungs­ empfänger P auftreffen und daß alle übrigen während eines Tages durchfahrenen Strahlen so gebrochen werden, daß sie mit kleineren Winkeln als SH und SZ auf den Strahlungsempfänger auftreffen.

Fig. 6 zeigt eine in Nord-Süd-Richtung verlaufende Brennlinie eines einmal täglich verschwenkten Parabolspiegels PB, der durch die Scheibe SCH abgedeckt ist. Auch hier erfolgt eine Ablenkung der Strahlen SH und SZ im gleichen Sinne wie in Fig. 3 beschrieben.

Fig. 7 zeigt in Quer- und Längsschnitt die vom erfindungsge­ mäßen Konzentratorsystem SCH-DK konzentrierten Strahlenbündel SB7 bei einem Einstrahlungswinkel SV, der in der Mitte zwischen dem horizontnahen und dem zenitnahen Strahl verläuft. Das Strahlen­ bündel SB7 trifft senkrecht auf den Strahlungsempfänger P auf. Eine Linear-Zersrtreuungslinse LL, die zwischen dem Konzentrator­ system SCH-DK und dem Strahlungsempfänger P angeordnet ist, bricht das konvergierende Strahlenbündel SB7 zu einer Schar paralleler Strahlen SP7.

Fig. 8 zeigt die gleiche Anordnung bei einem horizontnahen Strahl SH. Dieser trifft nach Brechung in zwei senkrecht zueinan­ der stehenden Richtungen als Strahl SB8 auf die zerstreuende Linearlinse LL auf. Die Brennlinie BR8 des in der Vertikalpro­ jektion dargestellten Strahlenbündels SB8 fällt mit der Achse der Linearzerstreungslinse LL zusammen. Zwischen der Linearzer­ streuungslinse LL und dem Strahlungsempfänger P weitet sich das Strahlenbündel wieder auf die Breite des Strahlenempfängers P auf. Die gleiche Beziehung gilt auch für den zenitnahen Strahl SZ, der entsprechend dem Verlauf SB2 mit dem gleichen Winkel b zur Vertikalen wie der horizontnahe Strahl SB1 auf die Linearsam­ mellinse LL auftrifft.

Fig. 9 zeigt eine Scheibe, die aus der Überlagerung von Prismen einer Fresnellinse und senkrecht dazu verlaufenden Prismen einer Umlenkscheibe gebildet ist. Jede rechts und links von der Brenn­ linie liegende Facette lenkt damit den sie treffenden Strahl in zwei Ebenen um. Die Winkel x1, x2, . . . unterliegen den Forderungen einer Fresnellinse, die Winkel y1, y2 . . . sind gleichbleibend, ändern sich aber mit der geographischen Breite. Die Winkel v1, v2, . . . verlaufen parallel zur Projektion der durch die Winkel x1, x2, . . . gebrochenen Strahlen. Die Winkel w1, w2, . . . verlaufen in einem Winkel zur Vertikalen, der gleich oder etwas kleiner ist, als der in der Brennebene durch den Eintritt in die Scheibe ge­ brochene horizontale Strahl.

Aus dem vorliegenden ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Konzentratorsystem eine mechanische Nachführung der Sonnenhöhe zu ersetzen vermag.

Claims (14)

1. Linearkonzentrator für Sonnenenergie mit einem in der Nähe einer Brennlinie verlaufenden Strahlungsempfänger, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich eine lichtdurchlässige Scheibe, die die Strahlung in einer Richtung umlenkt, im Strahlengang befindet.

2. Linearkonzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe parallel zueinander ausgerichtete Prismen trägt, die senkrecht zur Brennlinie verlaufen.

3. Linearkonzentrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden optisch aktiven Prismenflächen in Richtung zur Sonne divergieren.

4. Linearkonzentrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Prismenflächen einen spitzen Winkel mit der Mittelebene der Scheibe SCH bilden.

5. Linearkonzentrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechung innerhalb der Prismen zu Austrittswinkeln führt, die mit der Vertikalen für horizontnahe Strahlen und für zenitnahe Strahlen annähernd den gleichen Betrag jedoch bei entgegengesetztem Vorzeichen aufweisen.

6. Linearkonzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem streifenförmigen Strahlungsempfänger und dem Konzentrator eine in einer Ebene zerstreuende langgestreckte Zer­ streuungslinse LL angeordnet ist, deren Achse parallel zum Strah­ lungsempfänger verläuft.

7. Linearkonzentrator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Zerstreuungslinse LL von der Brennlinie so groß ist, daß die die Strahlenbündel begrenzen­ den Strahlen die Randbereiche der Zerstreuungslinse LL durch­ setzen, wenn die Strahlenbündel SB parallel zu Normalebenen der Brennlinie verlaufen und die Zerstreuungslinse LL im mittleren Bereich durchsetzen, wenn die Strahlenbündel SB mit den Normal­ ebenen den größten Winkel einschiessen.

8. Linearkonzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator aus rechteckigen Elementen mit in zwei Ebenen schräg zu Horizontalfläche verlaufenden Flächen be­ steht, wobei die Schräge parallel zur Brennlinie konstant und zur Sonne hin divergierend und die Schrägen senkrecht dazu zur Brennlinie hin abnehmend ausgebildet sind.

9. Linearkonzentrator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der parallel zur Brennlinie verlaufenden Reihen einen spitzen Winkel mit der Vertikalen bilden, der dem des horizontalen Strahles nach der ersten Brechung annähernd gleicht.

10. Basis für einen Konzentrator, dadurch gekennzeichnet, daß er als schwimmende Platte ausgebildet ist.

11. Basis für einen Konzentrator nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine einstellbare Schräglage ermöglicht.

12. Basis für einen Konzentrator nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei im Abstand von der Brennlinie angeordnete, teilbefüllte Wasserbehälter vorgesehen sind.

13. Basis für einen Konzentrator nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die unteren Bereiche der Wasserbehälter mit­ einander kommunizieren und daß jeder Behälter mit dem Inneren eines luftgefüllten Hohlkörpers kommuniziert, der einer Be­ strahlung ausgesetzt ist, wenn das Strahlenbündel auswandert.

14. Basis für Konzentratoren, dadurch gekennzeichnet, daß diese von einem Stahlrohr umgeben ist, in welches ein Seilnetz gespannt ist.