DE4425891A1 - Mirror for utilisation of solar energy - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Spiegel, der für die Nutzung der Sonnenenergie geeignet ist. Der Spiegel besteht aus austauschbaren, reflektierenden Folienstücken, die zusammen mit einem Netz, auf dem sie ruhen, über ein gegen die Stoßbelastungen nachgiebiges Gerüst mit Hilfe des Unterdrucks gespannt sind. Durch diese Spannung bildet jedes Folienstück eine parabolische Zylinderfläche, welche die Sonnenstrahlung auf eine Kreisfläche mit einem Durchmesser, der mit der maximalen Folienstückbreite vergleichbar ist, gebündelt zurückwirft. Die Strahlungsenergie der Sonne wird von zwei Systemen ausgenutzt:The invention relates to a mirror for the use of Solar energy is suitable. The mirror consists of interchangeable, reflective pieces of film that go together with a net on which they rest, against one against the other Resilient scaffolding with the help of the Are under pressure. With this tension, each forms Foil piece a parabolic cylinder surface, which the Solar radiation on a circular area with a diameter, comparable to the maximum film piece width is bundled. The radiation energy of the sun is used by two systems:
- - Ein Teil wird von Mikroalgen oder/und Photobakterien in chemische Energie der Photosynthese umgewandelt. Dabei fließen die Mikroalgen in einer Nährlösung durch eine spiralförmige Rohrleitung Fig. 3 und Fig. 7 Pos. 10, deren Rohr aus einem für das Sonnenspektrum durchlässigen Material, z. B. Quarz besteht.- A part is converted into chemical energy of photosynthesis by microalgae and / or photobacteria. The microalgae flow in a nutrient solution through a spiral pipeline Fig. 3 and Fig. 7 Pos. 10, the tube of a material permeable to the solar spectrum, for. B. quartz.
- - Der Rest des Sonnenstrahlungsspektrums wird von den Solarzellen, die hiner der spiralförmigen Rohrleitung auf der oben genannten Kreisfläche liegen Fig. 3 und Fig. 7 Pos. 9, aufgenommen so, daß die Sonnenenergie sich teilweise in die elektrische Energie umwandelt.- The rest of the solar radiation spectrum is absorbed by the solar cells, which lie behind the spiral pipe on the above-mentioned circular area Fig. 3 and Fig. 7 item 9, so that the solar energy is partially converted into electrical energy.
Die vorhandene Erfindung bezieht sich auf einen Spiegel mit einer gekrümmten Oberfläche und bietet ein Verfahren zu seiner Herstellung mit einer Berechnungsmethode.The present invention relates to a mirror a curved surface and offers a method to its manufacture with a calculation method.
Die aus der Vergangenheit bekannten krummen schüsselartigen Spiegel sind entweder aus beschichteten Materialien wie Metall, Glas, fester Kunststoff oder aus einem polierten Metall hergestellt worden. Die Ausführung von genauer Krümmung bei solchen Materialien erfordert eine Fülle von komplizierten und kostspieligen Operationen. Aber nicht nur die Herstellung selbst sondern auch das Gewicht von solchen rigiden Konstruktionen sind ökonomische Hindernisse. Der Sinn der Sonnenenergienutzung geht verloren, wenn die energetische Herstellungsausgaben den energetischen Gewinn übertreffen. Dabei versteht man unter energetischen Herstellungsausgaben die sämtliche Energiemenge von der Rohmaterialgewinnung bis zum Endstadium als fertiges Erzeugnis. Unter dem energetischen Gewinn versteht man die gewonnene Energiemenge von der Installation bis zum Verschleiß der Anlage. Das gilt auch wenn keine strahlungsverdichtende Vorrichtungen wie der Sonnenspiegel vorhanden, und z. B. Solarzellen direkt der Sonne ausgesetzt sind.The crooked bowl-like ones known from the past Mirrors are made of either coated materials such as Metal, glass, solid plastic or from a polished Metal. The execution of more precise Curvature in such materials requires an abundance of complicated and costly operations. But not only the manufacture itself but also the weight of such rigid constructions are economic obstacles. Of the Sense of solar energy use is lost when the energetic manufacturing expenditure the energetic gain surpass. Here one understands energetic Manufacturing expenditure all the amount of energy from the Raw material extraction up to the final stage as finished Product. Under the energetic gain one understands the Amount of energy gained from installation to Plant wear. This applies even if none radiation condensing devices such as the sun mirror available, and z. B. solar cells directly exposed to the sun are.
Die dargebotene Erfindung ist bestrebt, einen Spiegel bereitzustellen, welcher die erwähnten Nachteile dadurch überwindet, daß er keine rigide Konstruktion ist. Wegen seiner Nachgiebigkeit gegenüber den stoßartigen Belastungen ergibt sich eine Möglichkeit, ihn als ein extrem leichtes und deshalb materialsparendes Gebilde auszuführen. Der ökonomische Effekt wird noch dadurch gesteigert, daß man die Sonnenenergie in die biochemische Energie umwandelt. Die Produktion von Mikroalgen, in Vitro, bietet eine ideale Bedingung für die Genmanipulation und damit eine Erzeugung von kostbaren Eiweißen der Humanmedizin, wie zum Beispiel Insulin oder Interferon.The presented invention seeks to be a mirror to provide, which has the disadvantages mentioned overcomes that it is not a rigid construction. Because of its resilience to the shock loads there is a way of making it extremely light and therefore to carry out material-saving structures. Of the economic effect is further increased by the fact that Converts solar energy into biochemical energy. The Production of microalgae, in vitro, offers an ideal Condition for gene manipulation and thus generation of valuable proteins in human medicine, such as Insulin or interferon.
Die Strahlung der Sonne in der dargebotenen Erfindung wird nicht auf einen Punkt konzentriert, sondern auf einer Kreisfläche verdichtet, was eine zusätzliche Vereinfachung der Anlage mit sich bringt. Zur Bündelung der Sonnenstrahlung werden einzelne, sich nach der Blütenblätterart der Tulpe Pos. 1, Fig. 4, überlappende und verspiegelte Folienstücke verwendet, die zusammen mit einem Netz auf dem sie ruhen, durch Unterdruck in Form einer parabolischen Zylinderfläche so gekrümmt werden, daß insgesamt eine konkave Oberfläche entsteht. Zwischen den sich überlappenden Folienstücken befindet sich eine viskose, für Luft undurchlässige Schicht. Das Netz mit den darauf ruhenden Folienstücken ist über ein gegen die Stoßbelastungen nachgiebiges Gerüst gezogen, so daß im Zwischenraum ein geringer Unterdruck herrscht. Das Gerüst besteht aus einem aufgeblasenen, torusverwandten Rotationskörper und einzelnen Träger Pos. 5, Fig. 1, 2, die sich darauf stützen.The radiation of the sun in the presented invention is not concentrated on one point, but is compacted on a circular area, which further simplifies the system. To bundle the solar radiation, individual pieces of foil, overlapping and mirrored according to the type of tulip pos. 1, Fig. 4, are used, which together with a net on which they rest, are curved by negative pressure in the form of a parabolic cylindrical surface so that overall a concave surface is created. Between the overlapping pieces of film there is a viscous layer that is impermeable to air. The net with the pieces of film resting thereon is drawn over a structure which is flexible against the impact loads, so that there is a slight negative pressure in the interspace. The scaffold consists of an inflated, torus-related rotating body and individual supports item 5, Fig. 1, 2, which are supported on it.
Aus dem Vergleich mit der Erfindung GB 2 000 319 A, in der auch eine spiegelnde oder verspiegelte und durch Unterdruck elastisch verformte Folie Anwendung findet, sind hier folgende vorteilhafte Merkmale zu erkennen:From the comparison with the invention GB 2 000 319 A, in which also a reflective or mirrored and by negative pressure elastically deformed film is used here recognize the following advantageous features:
Erstens: Im Unterschied zu GB 2 000 319 A besteht die hier verwendete Folie aus mehreren sich gegenseitig überlappenden und auf einem Netz sich stützenden Stücken, die nicht in zwei sondern in einer Art eindimensionaler Krümmung elastisch verformt sind. Daraus ergibt sich eine konstruktive Vereinfachung; man braucht eine geringere Druckdifferenz zur elastischen Verformung des reflektierenden Teils.First: In contrast to GB 2 000 319 A, this is here used film from several mutually overlapping and pieces based on a web that are not in two but elastic in a kind of one-dimensional curvature are deformed. This results in a constructive one Simplification; you need a lower pressure difference to elastic deformation of the reflective part.
Zweitens: Es besteht die Möglichkeit zur Anwendung von Materialien mit wesentlich niedriger Elastizität, wie z. B. mit Metall beschichtetes Papier oder Keramik. Solche Materialien sind aber im Wesentlichen widerstandsfähiger gegenüber der Ultraviolettstrahlung als Polymerstoffe wie Gummi oder Plaste.Second, there is the possibility of using Materials with much lower elasticity, such as B. with Metal coated paper or ceramic. Such materials but are essentially more resistant to the Ultraviolet radiation as polymer materials such as rubber or Plastic.
Drittens: Die Austauschbarkeit der reflektierenden Folienstücke verlängert die Verfügbarkeit des Spiegels.Third: The interchangeability of the reflective Pieces of film extend the availability of the mirror.
Die Erfindung GB 2 000 319 A ist auch eine Konstruktion, wo über starre zylinderartige Gebilde eine reflektierende Folie unter Druckdifferenz gespannt wird und wo aber die Nachgiebigkeit den stoßartigen Belastungen gegenüber fehlt. Die dargebotene Erfindung bietet ein Untergestell der die Stoßbelastungen abfedern kann in dem sein Hauptbestandteil ein aufgeblasener torusverwandter Körper ist. Meridionale Kurve dieses Körpers hat eine Form, die sich durch die folgende Differentialgleichung beschreiben läßt:The invention GB 2 000 319 A is also a construction where a reflective film over rigid cylindrical structures is clamped under pressure difference and where but There is no compliance with the shock loads. The presented invention offers a base of the The main component is to absorb shock loads is an inflated torus-related body. Meridional The curve of this body has a shape that is defined by the describes the following differential equation:
wobei "kr" und "l" die Konstanten sind.where "kr" and "l" are the constants.
Diese spezielle Form genügt dem Verlangen, wonach das den aufgeblasenen Körper umspannende Netz fast ausschließlich in der Richtung seiner Meridionalkurve gespannt worden ist. Die Breitengradspannungen werden auf die polygonförmig gespannte Seile Pos. 21, 22, 23; Fig. 1 und 2; vom umspannenden Netz übertragen. Diese Seile werden entspannt, wenn im Raum Pos. 13. Fig. 3 ein Unterdruck erzeugt und die Spannung auf das die reflektierende Folienstücke tragende Netz übertragen wird.This special shape satisfies the desire that the mesh covering the inflated body has been stretched almost exclusively in the direction of its meridional curve. The latitude tensions are on the polygonal ropes Pos. 21, 22, 23 ; Figures 1 and 2; transmitted from the spanning network. These ropes are relaxed when a negative pressure is generated in the room pos. 13. Fig. 3 and the voltage is transferred to the network carrying the reflective pieces of film.
Die Differentialgleichung wird aus folgenden Überlegungen
zusammengestellt:
Die Definition der Krümmung "K" einer meridionalen Kurve
eines idealen, in der Praxis aber wegen Instabilität nicht
ausführbaren, aufgeblasenen Rotationskörpers, dessen Wand
ausschließlich in einer meridionalen Richtung gespannt
ist, ist nach dem Bild N1.The differential equation is compiled from the following considerations:
The definition of the curvature "K" of a meridional curve of an ideal, inflated rotating body, which in practice cannot be carried out due to instability, the wall of which is stretched exclusively in a meridional direction, is shown in Figure N1.
Wobei "Δt" oder dem Bild Nr. 1 entsprechend "Δtau" die Richtungswinkelsänderung in Bogenmaß ist und "ΔS ein Bogenstück der Kurve oder eine elementare Streckenlänge ist. Andererseits, wie aus dem Bild Nr. 1 zu entnehmen, istWhere "Δt" or the image No. 1 corresponding to "Δtau" Direction angle change in radians and "ΔS on Arc piece of the curve or an elementary length of the route. On the other hand, as can be seen from picture no
denn die gleiche Kraft des Überdrucks wirkt sich auf die gleichgroße Elementarfläche der Schlauchwand "ΔF" ausbecause the same force of overpressure affects the same size elementary surface of the hose wall "ΔF"
Nach der Definition ist auch
Wenn man kr=K setzt bei x=1According to the definition is too
If you set kr = K at x = 1
Nach dem Integrieren der Gleichung (7) bekommen wir:After integrating equation (7) we get:
woraus sichfrom which
ergibt
bei y′=0 wird kr*x²+2*l*C=0 undresults
at y ′ = 0, kr * x² + 2 * l * C = 0 and
siehe Bild N1
Dann wird:see picture N1
Then it will be:
Wenn y′=∞; dann wird 4*l²-kr²*(x²-m²)=0; und (2*l-kr*(x²-m²))*(2*l+kr*(x²-m²))=0; und 2*l-kr*x²+kr*m²=0 oder 2*l+kr*x²-kr*m²=0; (8) und (9). In diesem Falle, dem Bild Nr. 1 entsprechend, muß "x²min" einmal gleich l sein.If y ′ = ∞; then 4 * l²-kr² * (x²-m²) = 0; and (2 * l-kr * (x²-m²)) * (2 * l + kr * (x²-m²)) = 0; and 2 * l-kr * x² + kr * m² = 0 or 2 * l + kr * x²-kr * m² = 0; (8) and (9). In this case, according to picture no. 1, "x²min" once equal l.
Aus der (9) bekommen wir:From (9) we get:
und aus der (8)and out of (8)
Nach Eliminieren von "m" bekommen wir:After eliminating "m" we get:
Nach einer Substitution x/l durch ch(t), wo ch(t) ein Hyperbelkosinus von t ist, wobei x=l*ch(t) dx=l*sh(t)dt, undAfter a substitution x / l by ch (t), where ch (t) a Hyperbolic cosine of t, where x = l * ch (t) dx = l * sh (t) dt, and
erhalten wirwe receive
Diese Funktion kann nicht elementar integriert werden. Deshalb werden beide Integranden der Funktion mit Hilfe der Reihenentwicklung integriert. Beide Reihen und ihre Integrale sind konvergent im Definitionsbereich:This function cannot be integrated elementarily will. Therefore both integrands of the function are included Integrated row development help. Both rows and their integrals are convergent in the domain:
xmin<x<xmax.xmin <x <xmax.
Es gibt auch andere, einfachere Methoden der Berechnung und zwar, wenn man die Meridionalkurve durch eine gebrochene Linie, mit einer konstanten Richtungswinkeländerung "Δt" und mit einer variablen Streckenlänge "ΔS" approximiert. Die Koordinaten Xn+1, Yn+1 jeden nächsten Bruchpunktes der Linie werden aus den folgenden Relationen errechnet:There are other, simpler methods of calculation and if you break the meridional curve through a broken one Line, with a constant change in direction angle ".DELTA.t" and approximated with a variable path length "ΔS". The coordinates Xn + 1, Yn + 1 of every next break point of the Line are calculated from the following relations:
Xn+1=Xn-R*Xmin*Δt*sin(An)/Xn;
Yn+1=Yn+R*Xmin*Δt*cos(An)/Xn;
sin(An+1)=sin(An)*cos(Δt)+cos(An)*sin(Δt);
cos(An+1)=cos(An)*cos(Δt)-sin(Δt)*sin(An); (9)Xn + 1 = Xn-R * Xmin * Δt * sin (An) / Xn;
Yn + 1 = Yn + R * Xmin * Δt * cos (An) / Xn;
sin (An + 1) = sin (An) * cos (Δt) + cos (An) * sin (Δt);
cos (An + 1) = cos (An) * cos (Δt) -sin (Δt) * sin (An); (9)
Δt=pi/N; wo N eine beliebig große ganze Zahl ist.
sin(Δt)=Δt-Δt³/6; cos(Δt)=1-Δt²/2;Δt = pi / N; where N is an arbitrarily large integer.
sin (Δt) = Δt-Δt³ / 6; cos (Δt) = 1-Δt² / 2;
"R" ist ein Krümmungsradius, wenn Xn=Xmin ist.
"An" ist ein Neigungswinkel der elementaren Strecke "ΔSn".
An der Stelle, wo Xo=Xmin ist, Ao=pi/2; und "ΔSo"=R*Δt;"R" is a radius of curvature when Xn = Xmin.
"On" is an angle of inclination of the elementary distance "ΔSn".
At the point where Xo = Xmin, Ao = pi / 2; and "ΔSo" = R * Δt;
Xmin oder "l" und "R" sind die Parameter der im Bild N1 dargestellten Funktion.Xmin or "l" and "R" are the parameters of the in picture N1 shown function.
Es liegt ein Computerprogramm vor, wo die Rekursivformel (9) für die Konstruktionsberechnung ausgenutzt wird.There is a computer program where the recursive formula (9) is used for the design calculation.
Durch Iteration werden die Parameter der einzelnen Abschnitte der Meridionalkurve Fig. 1a-b, b-c, c-d, d-e, e-f und f-a ermittelt. Daraus läßt sich die Zugkraft, die auf einzelne, meridionalgerichtete Elemente des den aufgeblasenen Körper umspannenden Netzes wirkt, berechnen.The parameters of the individual sections of the meridional curve FIGS. 1a-b, bc, cd, de, ef and fa are determined by iteration. From this, the tensile force acting on individual, meridional elements of the net spanning the inflated body can be calculated.
Zum Beispiel die Zugkraft "P", die auf dem Abschnitt "f-a" wirkt, ist Fig. 1:For example, the pulling force "P" acting on the section "fa" is Fig. 1:
P(f-a)=ÜD*2*pi*l(f-a)*R(f-a); (10)P (f-a) = ÜD * 2 * pi * l (f-a) * R (f-a); (10)
wo "ÜD" ein Überdruck im Inneren des aufgeblasenen Körpers ist. Auf dem Abschnitt f-a, Fig. 1 und Fig. 2 sind 96 meridionalgerichtete Netzelemente, die dieser Kraft ausgesetzt sind. Daraus wird die Stärke dieser Netzelemente errechnet. Darüber hinaus lassen sich die Spannungen in allen anderen Netzelementen als auch in den polygonförmig gespannten Seilen in den Trägern und in den Netzelementen, die den reflektierenden Teil tragen, zu berechnen.where "ÜD" is an overpressure inside the inflated body. On the section fa, Fig. 1 and Fig. 2 are 96 meridional network elements which are exposed to this force. The strength of these network elements is calculated from this. In addition, the stresses in all other network elements as well as in the polygonal tensioned ropes in the girders and in the network elements that carry the reflecting part can be calculated.
Die dazu gehörenden Zeichnungen zeigen:The accompanying drawings show:
Fig. 1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen, aufgeblasenen, torusverwandten Körpers mit dem ihn umspannenden Netz und den darauf stützenden 24 Trägern; Figure 1 is a representation of the inflated, torusverwandten body of the invention with him spanning network and supporting thereon 24 disks.;
Fig. 2 dieselbe Darstellung; Sicht von oben; Fig. 2 shows the same view; View from above;
Fig. 3 allgemeine seitliche Sicht; Fig. 3 general side view;
Fig. 4 Sicht von oben und von unten. Fig. 4 view from above and from below.
Fig. 5 Knotenteil des Netzes. Fig. 5 node part of the network.
Fig. 6 Folienstück des aufblasbaren Schlauches. Fig. 6 piece of film of the inflatable tube.
Fig. 7 der verdichteten Sonnenstrahlung ausgesetzte Kreis mit den Solarzellen und einer spiralförmigen Rohrleitung. Fig. 7 of the compressed solar radiation exposed circuit with the solar cells and a spiral pipe.
Der in Fig. 1 bis 7 dargestellte Sonnenspiegel besteht aus einem Schlauch, der aus den sich überlappenden Folienstücken Fig. 6 zusammengesetzt ist und mit einem Netz umschlungen durch Überdruck die Gestalt eines torusverwandten Hohlkörpers annimmt. Die Kräfte von dem umspannenden Netz werden auf die polygonförmig gespannten Seile 21, 22, 23 (Fig. 1 und 2) übertragen. Im Unterschied zu den Seilen 22 und 23 werden die Kräfte auf den als windschiefen Polygon gespannten Seile 21 vom Netz über die 24 Träger 5 übertragen. Bei dem Unterdruck im Raum 13 (Fig. 3) werden die Seile 21, 22 und 23 entspannt, und die Spannungen werden von dem das reflektierende Teil tragenden Netz 3 (Fig. 1 und 2) übernommen. Mit Hilfe teleskopischer, durch Überdruck 14 auseinander geschobenen Säule 15 (Fig. 3) wird die Kreisscheibe (Fig. 7, Fig. 3), die die Solarzelle 9 und die Spiralrohrleitung 10 (Fig. 7) festhält, getragen. Die Achse der Säule 15 wird mit Hilfe der Seile 11, Fig. 3 so gerichtet, daß sie mit der Spiegelachse zusammenfällt. Die Luft aus dem Unterdruckraum 13 (Fig. 3) wird mit Hilfe des Ejektors 12 (Fig. 3 und 4) abgepumpt.The sun mirror shown in Fig. 1 to 7 consists of a tube, which is composed of the overlapping pieces of film Fig. 6 and wrapped with a net by overpressure takes the form of a toroid-related hollow body. The forces from the spanning network are transmitted to the polygonal ropes 21 , 22 , 23 ( Fig. 1 and 2). In contrast to the ropes 22 and 23 , the forces on the ropes 21 stretched as a skewed polygon are transmitted from the network via the 24 beams 5 . At the negative pressure in space 13 ( Fig. 3), the ropes 21, 22 and 23 are relaxed, and the stresses are taken over by the network 3 ( Fig. 1 and 2) carrying the reflecting part. The circular disc ( FIG. 7, FIG. 3), which holds the solar cell 9 and the spiral pipeline 10 ( FIG. 7), is carried with the aid of telescopic column 15 ( FIG. 3) pushed apart by excess pressure 14 . The axis of the column 15 is directed with the aid of the ropes 11 , Fig. 3 so that it coincides with the mirror axis. The air from the vacuum chamber 13 ( FIG. 3) is pumped out with the aid of the ejector 12 ( FIGS. 3 and 4).
Nach der Berechnung des vorliegenden Beispiels beträgt die Relation des Unterdrucks 13 zum Überdruck 14 etwa 0.0378. Das untere Netzteil ist mit einem Saugnapf 20 (Fig. 1 und 2) versehen, der sich an einem oberen Deckel festsaugt, wenn die Unterdruckgrenze erreicht ist. Der Ejektor wird in dem Falle von einem bistabilen Membranmotor abgeschaltet und solange, bis der Unterdruck wieder nachläßt.According to the calculation of the present example, the relation of the negative pressure 13 to the excess pressure 14 is approximately 0.0378. The lower power supply is provided with a suction cup 20 ( FIGS. 1 and 2), which is sucked onto an upper cover when the vacuum limit is reached. In this case, the ejector is switched off by a bistable diaphragm motor and until the negative pressure subsides.
Zur Veränderung des Neigungswinkels zwischen der Erdoberfläche und der Spiegelachse dient die Ziehharmonika 16, die ihrerseits über die Magdeburgischen Scheren 18 mit dem aufgeblasenen Körper verbunden ist (Fig. 3).The concertina 16 , which in turn is connected to the inflated body via the Magdeburg scissors 18, serves to change the angle of inclination between the surface of the earth and the mirror axis ( FIG. 3).
Der Spiegel kann sich drehen um eine senkrecht zur Erdoberfläche stehende Achse, die durch eine Verankerung 17 (Fig. 3) läuft. Der Spiegel ist mittels Fahrgestell und den mit Schrittmotoren 7 ausgerüsteten Rädern drehbar.The mirror can rotate about an axis perpendicular to the surface of the earth, which runs through an anchor 17 ( FIG. 3). The mirror can be rotated by means of the chassis and the wheels equipped with stepper motors 7 .
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