DE4446303C2 - Vorrichtung zum Konzentrieren von Solarstrahlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Konzentrieren von Solarstrahlung auf einen Absorber, um­ fassend ein Konzentratorelement, das einfallende Solar­ strahlung in einem Brennfleck auf dem Absorber konzentriert.

Derartige Vorrichtungen zum Konzentrieren von Solarstrahlung sind in großer Zahl bekannt.

Um einen möglichst hohen Strahlungsfluß am Absorber zu erzielen, müssen die Konzentratorelemente dieser Vorrich­ tungen kontinuierlich der Sonne nachgeführt werden, das heißt eine optische Achse des Konzentratorelementes muß mit einer mittleren Einfallsrichtung der Solarstrahlung in Über­ einstimmung gebracht werden.

Eine Vorrichtung zur Nachführung eines Parabolkonzentrators ist durch eine Druckschrift der Firma Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart vom September 1992 bekannt.

Es sind auch Vorrichtungen zum Konzentrieren von Solarstrahlung bekannt, deren Konzentratorelemente zu diesem Zweck mit Hilfe von Schrittmotoren mit konstant vorgegebener Antriebsgeschwindigkeit verschwenkt werden. Eine solche Steuerung der Ausrichtung der Konzentratorelemente führt jedoch nicht zu einer optimalen Ausrichtung, da die erforderliche Nachführ­ geschwindigkeit im Laufe eines Jahres variiert und überdies der scheinbare Stand der Sonne von in unvorhersehbarer Weise stetigem Wandel unterworfenen atmosphärischen Gegebenheiten abhängt.

In der US 4 362 931 ist eine Nachführungsvorrichtung offenbart, die ein optisches Abbildungssystem aufweist, das Solarstrahlung auf einen Lichtfleck fokusiert, welcher durch lichtempfindliche Sensoren registrierbar ist. Die Sensoren sind dabei so angeordnet, daß bei Erreichen der optimalen Ausrichtung des Konzentratorelements der Lichtfleck in eine sensorfreie Zone fokusiert wird.

Aus der DE 90 10 622 U1 ist eine Solareinrichtung zur automatischen Ausrichtung eines Solarpanels zu einer Lichtquelle bekannt, bei welcher lichtempfindliche Sensoren an dem Solarpanel angeordnet sind. Aus der US 4 245 153 ist eine Vorrichtung zum Konzentrieren von Solarstrahlung bekannt, bei der an einem Träger eines Konzentratorelementes Lichtsensoren angeordnet sind.

Bei diesen Vorrichtungen messen die Lichtsensoren die unkonzentrierte, direkt von der Sonne kommende Solarstrahlungsflußdichte und die Meßsignale werden zur Regelung der Ausrichtung des Solarpanels bzw. Konzentratorelementes verwendet. Derart angeordnete Lichtsensoren werden jedoch leicht, beispielsweise durch Wolkeneinflüsse, irritiert. Darüber hinaus kann die Ausrichtung dieser Sensoren relativ zur Flächennormale des Solarpanels bzw. optischen Achse des Konzentratorelementes, beispielsweise aufgrund von thermischer Ausdehnung, Windbelastung, Spiel in der Aufhängung des Solarpanels bzw. des Konzentratorelementes oder optischen Fehlern des Konzentratorelements, erheblich variieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art derart zu ver­ bessern, daß eine unabhängig von Schwankungen des schein­ baren Sonnenstandes und von Wettereinflüssen die Ausrichtung des Konzentratorelementes auf die Sonne zuverlässig charak­ terisierende Meßgröße zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung mindestens eine Meßeinrichtung zur Messung der Flußdichte der Solarstrahlung im Bereich des Brennflecks aufweist und daß die Meßeinrichtung eine Eintrittsöffnung, durch die ein Teil der Solarstrahlung in die Meßeinrichtung gelangt, einen Diffusor zur Verringerung der Flußdichte der in die Meßeinrichtung gelangten Solarstrahlung und einen Detektor zur Messung der mittels des Diffusors verringerten Flußdichte umfaßt.

Das erfindungsgemäße Konzept bietet den Vorteil, daß die primär interessierende Größe, nämlich die Flußdichte der Solarstrahlung im Bereich des Brennflecks, unmittelbar ge­ messen wird, wodurch die zahlreichen, zum Teil vorstehend genannten Fehlerquellen ausgeschlossen werden. Aus der im Bereich des Brennflecks gemessenen Flußdichte der Solar­ strahlung kann unmittelbar auf die Güte der Ausrichtung des Konzentratorelementes auf die Sonne geschlossen werden.

Die Verwendung eines Diffusors zur Verringerung der Fluß­ dichte der in die Meßeinrichtung gelangten Solarstrahlung ermöglicht es, die extrem hohen Strahlungsflußdichten im Bereich des Brennfleckes von mehreren MW/m² mit gebräuch­ lichen optischen Strahlungsdetektoren zu messen, was bisher unmöglich war, da diese Detektoren von der konzentrierten Solarstrahlung aufgeschmolzen wurden.

Grundsätzlich ist es möglich, das mittels der Meßeinrichtung erhaltene Meßergebnis zu verwenden, um das Konzentratorele­ ment manuell optimal auf die Sonne auszurichten.

Es ist jedoch von Vorteil, wenn die Vorrichtung eine Rege­ lung aufweist, die die relative Ausrichtung des Konzentra­ torelementes zur Solarstrahlung in Abhängigkeit vom Ergebnis der Messung verändert. Durch die Regelung der Ausrichtung des Konzentratorelementes bleibt dieses ohne Eingreifen von Bedienungspersonal stets optimal auf die Sonne ausgerichtet. Dies führt zu einem maximalen Strahlungsfluß zum Absorber und zu einer hohen Symmetrie des Brennflecks auf dem Ab­ sorber, wodurch die Gefahr eines Versagens des Absorbers, das bei Entstehen hoher Temperaturgradienten infolge einer asymmetrischen Strahlungsflußdichteverteilung im Brennfleck eintreten kann, minimiert wird.

Zur weiteren Verringerung der auf den Detektor einfallenden Strahlungsflußdichte ist es günstig, wenn die Meßeinrichtung einen Eintrittskanal aufweist, durch den ein Teil der Solar­ strahlung zu der Eintrittsöffnung gelangt. Durch einen solchen vorgeschalteten Eintrittskanal wird der Raumwinkel, aus dem Solarstrahlung zu der Eintrittsöffnung gelangt, beschränkt. Vorzugsweise entspricht die Länge des Eintritts­ kanals mindestens der größten linearen Ausdehnung der Ein­ trittsöffnung.

Wird andererseits eine weitgehende Unabhängigkeit des Detek­ torsignals von der Einfallsrichtung der Solarstrahlung ge­ wünscht, so ist es von Vorteil, wenn der Eintrittskanal möglichst kurz ist, vorzugsweise kleiner als die lineare Ausdehnung der Eintrittsöffnung.

Grundsätzlich ist es möglich, eine einzelne Meßeinrichtung im Bereich des Brennfleckes vorzusehen und die Ausrichtung des Konzentratorelementes manuell bzw. durch eine Regelung so zu verändern, daß das Signal des Detektors dieser Meßein­ richtung einen vorgegebenen Wert annimmt.

Es ist jedoch von Vorteil, wenn die Vorrichtung mindestens ein Paar von Meßeinrichtungen umfaßt. Schwankungen des von der Sonne kommenden Strahlungsflusses wirken sich auf die Meßeinrichtungen des Paares in vergleichbarer Weise aus, so daß von der Ausrichtung des Konzentratorelementes unab­ hängige Variationen der Strahlungsflußdichte, beispielsweise aufgrund von Schwankungen der radialen Strahlungsflußdichte­ verteilung der von der Sonne kommenden Solarstrahlung (sogenannte "sun-shape"), durch Bildung der Differenz der Detektorsignale der beiden Meßeinrichtungen eliminiert werden können.

Günstig ist es, wenn eine die Eintrittsöffnungen der Meßein­ richtungen des Paares miteinander verbindende Verbindungs­ gerade eine optische Achse des Konzentratorelementes schneidet. In diesem Fall kann ein längs der die Eintritts­ öffnungen der Meßeinrichtungen des Paares miteinander verbindenden Verbindungsgerade zu der optischen Achse symmetrischer Brennfleck dadurch eingestellt werden, daß das Konzentratorelement verschwenkt wird, bis die Differenz der Detektorsignale der beiden Meßeinrich­ tungen des Paares einen vorgegebenen Wert ergibt.

Vorteilhafterweise sind die Eintrittsöffnungen der Meßein­ richtungen des Paares symmetrisch zu der optischen Achse des Konzentratorelementes angeordnet. Schwankungen des von der Sonne kommenden Strahlungsflusses wirken sich auf jede Meßeinrichtung des Paares in gleicher Weise aus, so daß ein längs einer die Eintrittsöffnungen der Meßeinrichtungen des Paares miteinander verbindenden Verbindungsgerade zu der optischen Achse symmetrischer Brennfleck stets dadurch ein­ gestellt werden kann, daß das Konzentratorelement ver­ schwenkt wird, bis die Differenz der Detektorsignale der beiden Meßeinrichtungen eines Paares minimal wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine die Eintrittsöff­ nungen der Meßeinrichtungen des Paares miteinander verbin­ dende Verbindungsgerade im wesentlichen senkrecht zu einer Schwenkachse des Konzentratorelementes ausgerichtet ist. In diesem Fall kann das Differenzsignal der Detektoren des Paares direkt dazu verwendet werden, den Schwenkwinkel des Konzentratorelementes um diese Schwenkachse korrekt einzu­ stellen.

Günstig ist es, wenn die Vorrichtung mindestens zwei Paare von Meßeinrichtungen umfaßt, wobei die Eintrittsöffnungen der Meßeinrichtungen jedes Paares symmetrisch zu der optischen Achse des Konzentratorelementes angeordnet sind.

Dabei kann zum einen vorgesehen sein, daß eine die Eintrittsöffnungen der Meßeinrichtungen eines Paares mit­ einander verbindende Verbindungsgerade quer, insbesondere senkrecht, zu einer die Eintrittsöffnungen der Meßeinrich­ tungen eines weiteren Paares miteinander verbindenden Ver­ bindungsgerade ausgerichtet ist. Dadurch werden zwei Differenzsignale (je eines von den beiden demselben Paar zugeordneten Detektoren) erhalten, die eine Festlegung von zwei Schwenkwinkeln der optischen Achse des Konzentrator­ elementes und damit eine eindeutige Festlegung der optimalen Ausrichtung des Konzentratorelementes erlauben.

Ergänzend oder alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, daß eine die Eintrittsöffnungen der Meßeinrichtungen eines Paares miteinander verbindende Verbindungsgerade parallel zu einer die Eintrittsöffnungen der Meßeinrichtungen eines weiteren Paares verbindenden Verbindungsgerade ausgerichtet ist und die Eintrittsöffnungen der Meßeinrichtungen des einen Paares einen größeren radialen Abstand von der optischen Achse des Konzentratorelementes aufweisen als die Eintrittsöffnungen der Meßeinrichtungen des weiteren Paares. Mit Hilfe des Differenzsignales der Detektoren des Paares mit den weiter von der optischen Achse entfernten Eintritts­ öffnungen kann in diesem Falle das Konzentratorelement auch dann noch optimal ausgerichtet werden, wenn das Zentrum des Brennfleckes einen größeren radialen Abstand von der optischen Achse des Konzentratorelementes aufweist als die Eintrittsöffnungen des näher an der optischen Achse ange­ ordneten Paares. Außerdem ist eine optimale Ausrichtung des Konzentratorelementes auch dann noch möglich, wenn eines dieser Paare von Meßeinrichtungen ausfallen sollte.

Zu der Beschaffenheit des Diffusors wurden bislang noch keine näheren Angaben gemacht.

Vorteilhafterweise weist der Diffusor eine die in die Meßeinrichtung gelangende Solarstrahlung diffus reflek­ tierende Oberfläche auf. Durch diffuse Reflexion wird die Flußdichte der durch die Eintrittsöffnung einfallenden Solarstrahlung unabhängig von ihrer Einfallsrichtung in effektiver Weise reduziert.

Günstig ist es, wenn der Diffusor einen bis auf die Ein­ trittsöffnung und eine Austrittsöffnung für den Detektor abgeschlossenen Hohlkörper umfaßt. Die hohe Flußdichte der durch die Eintrittsöffnung einfallenden Solarstrahlung wird in diesem Fall durch mehrfache diffuse Reflexion an den Innenwänden des abgeschlossenen Hohlkörpers deutlich redu­ ziert, so daß die Flußdichte der durch die Austrittsöffnung in den Detektor gelangenden Solarstrahlung zu gering ist, um diesen zu schädigen.

Günstig ist es, wenn der abgeschlossene Hohlkörper die Form einer Hohlkugel aufweist. Durch die Kugelform des Detektors wird erreicht, daß die durch diffuse Reflexion der durch die Eintrittsöffnung einfallenden Solarstrahlung bedingte mittelbare Beleuchtungsstärke an jedem Ort der Innenwand der Hohlkugel gleich groß und dem insgesamt in die Hohlkugel gelangenden Strahlungsfluß proportional ist. Dieser Effekt wird beispielsweise auch bei der sogenannten Ulbrichtschen Kugel zur Messung von Reflexionsgraden gemäß DIN 5036, Teil 3, Abschnitt 4 ausgenutzt. Die Ulbrichtsche Kugel kann auch, wie beispielsweise in der DE 40 24 929 offenbart, zum Ermitteln der Beleuchtungsstärke einer außerhalb der Kugel angeordneten Lichtquelle verwendet werden. Es wird eine im wesentlichen lineare Abhängigkeit des in den Detektor gelangenden Strahlungsflusses von dem in die Meßeinrichtung gelangenden Strahlungsfluß und eine weitgehende Unabhängigkeit des Detektorsignales von der Lage der Austrittsöffnung für den Detektor erreicht.

Im Hinblick auf eine kostengünstige Fertigung ist es von Vorteil, wenn der abgeschlossene Hohlkörper zwei Ausneh­ mungen in zwei aneinander anliegenden Festkörpern umfaßt, da diese in der Regel einfacher herzustellen sind als ein Hohl­ raum in einem ungeteilten Festkörper.

Da der Reduktionsfaktor der Flußdichte der in die Meßein­ richtung gelangenden Solarstrahlung im wesentlichen dem Verhältnis der Fläche der Eintrittsöffnung zu der diffus reflektierenden Oberfläche des Diffusors entspricht, ist diese diffus reflektierende Oberfläche vorteilhafterweise sehr viel größer, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 100 größer, als die Fläche der Eintrittsöffnung. Ent­ sprechend groß ist die Reduktion der Flußdichte der Solar­ strahlung beim Eintritt in den Detektor.

Über die Beschaffenheit der diffus reflektierenden Ober­ fläche des Diffusors wurden bislang noch keine näheren An­ gaben gemacht.

Von Vorteil ist es, wenn die diffus reflektierende Ober­ fläche einen im wesentlichen von der Frequenz der ein­ fallenden Strahlung unabhängigen Reflexionsgrad von ungefähr 0,7 bis 0,9 aufweist. Bei einem höheren Reflexionsgrad wirkt sich eine räumliche Variation desselben stärker aus, was zu einer ungleichmäßigen Ausleuchtung des Diffusors führt. Bei einem niedrigeren Reflexionsgrad werden die von der in die Meßeinrichtung gelangenden Solarstrahlung direkt beleuch­ teten Flächen des Diffusors durch Absorption zu stark auf­ geheizt.

Der gewünschte Reflexionsgrad wird in günstiger Weise erreicht, wenn die diffus reflektierende Oberfläche mit einem matt-weißen Lack versehen ist.

Besonders günstig ist es, wenn sich der Reflexionsgrad der diffus reflektierenden Oberfläche von Raumtemperatur bis zu einer Temperatur von über 1000°C im wesentlichen nicht ändert, was beispielsweise durch Verwendung eines hochtem­ peraturbeständigen Lackes erreicht werden kann. Eine Ver­ änderung des in den Detektor gelangenden Solarstrahlungs­ flusses aufgrund einer Veränderung des Reflexionsgrades der diffus reflektierenden Oberfläche durch Erhitzung während des Betriebs der Vorrichtung zum Konzentrieren von Solar­ strahlung wird dadurch vermieden.

Alternativ oder ergänzend zur Verwendung eines hochtempe­ raturbeständigen Lackes kann auch vorgesehen sein, daß der Diffusor gekühlt wird.

Vorteilhafterweise wird zumindest die Eintrittsöffnung und der Diffusor der Meßeinrichtung oder der Meßeinrichtungen in einer Aperturblende der Vorrichtung zum Konzentrieren von Solarstrahlung angeordnet. In diesem Fall ist kein zusätz­ liches Element im Strahlengang der Solarstrahlung erforder­ lich. Darüber hinaus ist durch eine Anordnung der Einfalls­ öffnung in der Aperturblende gewährleistet, daß der nutzbare Strahlungsfluß zum Absorber nicht durch die Messung ver­ ringert wird.

Um eine Schädigung des Detektors zu vermeiden und einen linearen Zusammenhang zwischen den Flußdichten der in den Diffusor bzw. in den Detektor gelangenden Solarstrahlung zu erhalten, sollte verhindert werden, daß Solarstrahlung direkt von der Eintrittsöffnung zum Detektor gelangt.

Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Austrittsöffnung für den Detektor in unmittelbarer Nähe der Eintrittsöffnung angeordnet wird.

Alternativ oder ergänzend dazu kann die Meßeinrichtung eine Abschirmung aufweisen, die verhindert, daß Solarstrahlung direkt von der Eintrittsöffnung zum Detektor gelangt.

Zu der Art des Detektors wurden bislang noch keine näheren Angaben gemacht.

Vorteilhafterweise umfaßt der Detektor einen optischen Detektor, der im Gegensatz zu thermischen Detektoren Ände­ rungen des einfallenden Strahlungsflusses nahezu trägheits­ frei erfaßt.

Zur direkten Erzeugung eines elektrischen Detektorsignales ist es günstig, einen Halbleiter-Photodetektor zu verwenden.

Ferner ist es von Vorteil, wenn der Detektor einen an den Diffusor gekoppelten Lichtleiter umfaßt. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, das Detektorsignal an einer Stelle zu erzeugen, die weit vom Brennfleck entfernt und daher keiner erhöhten Temperatur ausgesetzt ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar­ stellung eines Ausführungsbeispiels.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Aus­ führungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zum Konzentrieren von Solarstrahlung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Aperturflansch der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konzentrieren von Solarstrah­ lung aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Aperturflansch aus Fig. 2 längs Linie 3-3;

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3 um­ fassend eine Meßeinrichtung;

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Aperturflansch einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konzentrieren von Solarstrah­ lung.

Einander gleiche oder äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Eine in Fig. 1 schematisch dargestellte und als Ganzes mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung zum Konzen­ trieren von Solarstrahlung umfaßt ein Konzentratorelement 12.

Das Konzentratorelement 12 weist einen Spiegel 14, bei­ spielsweise einen Parabolspiegel, auf, der Lichtstrahlen­ bündel 16, die parallel zu seiner optischen Achse 18 ein­ fallen, auf einen auf der optischen Achse 18 angeordneten Brennpunkt 20 abbildet.

Der Spiegel 14 wird von einem Spiegelträger 22 um eine erste Schwenkachse 24 und eine zweite, zur ersten Schwenkachse 24 quer ausgerichtete Schwenkachse 26 mittels einer Bewegungs­ einrichtung 28 schwenkbar gehalten. In Fig. 1 sind die erste Schwenkachse 24 und die zweite Schwenkachse 26 beispiels­ weise senkrecht zueinander und senkrecht zu der optischen Achse 18 des Spiegels 14 ausgerichtet, wobei die zweite Schwenkachse 26 senkrecht zur Zeichenebene verläuft.

Ein beispielsweise zylindrischer Absorber 30 ist auf der optischen Achse 18 des Spiegels 14 so angeordnet daß eine dem Spiegel 14 zugewandte absorbierende Stirnwand 32 des Ab­ sorbers 30 die optische Achse 18 nahe des Brennpunktes 20 im wesentlichen senkrecht schneidet. Der Absorber 30 wird von einer an dem Spiegel 14 angeordneten Halterung 34 getragen und in seiner Lage relativ zu dem Brennpunkt 20 fixiert.

Alternativ zu dem in Fig. 1 dargestellten außenbestrahlten Absorber 30 kann auch ein innenbestrahlter Hohlraumabsorber vorgesehen sein.

Der Absorber 30 dient der Umsetzung der von ihm empfangenen Solarstrahlungsenergie in beispielsweise chemische Energie oder Wärmeenergie.

Die absorbierende Stirnwand 32 des Absorbers 30 trägt einen kreisringförmigen Aperturflansch 36, dessen Symmetrieachse mit der optischen Achse 18 des Spiegels 14 übereinstimmt und der eine kegelstumpfförmige Ringöffnung 38 aufweist, welche sich zum Spiegel 14 hin weitet und deren dem Spiegel 14 ab­ gewandter Rand 40 in einer senkrecht zur optischen Achse 18 durch den Brennpunkt 20 verlaufenden Brennebene 42 des Spiegels 14 liegt.

Einzelheiten des Aperturflansches 36 sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Der Aperturflansch 36 umfaßt ein absorberseitiges Unterteil 44 und ein spiegelseitiges Oberteil 46, die längs einer zu der Brennebene 42 parallelen Ebene aneinander anliegen und mittels mehrerer Schrauben 48 miteinander verbunden sind, welche längs des äußeren Umfangs des Oberteils 46 ange­ ordnete axiale Durchgangsbohrungen 50 durchsetzen und in mit jeweils einer der axialen Durchgangsbohrungen 50 fluchtende, im Unterteil 44 angeordnete axiale Gewindebohrungen 52 ein­ geschraubt sind.

Das Oberteil 46 weist einen Kühlkanal 54 in Form einer kreisbogenförmigen, sich konzentrisch zu der Ringöffnung 38 über einen Winkel von ungefähr 350° erstreckenden Nut mit rechteckigem Querschnitt auf, die an einer dem Unterteil 44 zugewandten Unterseite 56 des Oberteils 46 angeordnet ist. Der Kühlkanal 54 ist an einem ersten Ende über eine radiale Zuflußbohrung 58 in dem Oberteil 46 mit einer (nicht darge­ stellten) Kühlmittelzuflußleitung und an einem zweiten Ende über eine radiale Abflußbohrung 59 in dem Oberteil 46 mit einer (nicht dargestellten) Kühlmittelrückführleitung ver­ bunden.

Der Kühlkanal 54 dient der Kühlung des Aperturflansches 36 während des Betriebes der Vorrichtung 10 zum Konzentrieren von Solarstrahlung mit einem Kühlmittel (beispielsweise Wasser), das von der Kühlmittelzuflußleitung durch die Zu­ flußbohrung 58, den Kühlkanal 54 und die Abflußbohrung 59 in die Kühlmittelrückführleitung strömt.

Ein Entweichen von Kühlmittel aus dem Kühlkanal 54 längs der Unterseite 56 wird durch zwei Dichtungsringe 60, 62 verhin­ dert, die in zwei zu dem Kühlkanal 54 konzentrischen und einen größeren bzw. kleineren Durchmesser als dieser auf­ weisenden Kreisnuten 64, 66 an der Unterseite 56 des Ober­ teils 46 angeordnet sind und an einer Oberseite 68 des Unterteils 44 anliegen.

Ferner weist der Aperturflansch 36 vier Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 auf, die nahe einer gegen die optische Achse 18 geneigten Begrenzungswand 78 der kegelstumpfförmigen Ringöffnung 38 angeordnet sind.

Die Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 weisen denselben radialen Abstand von der optischen Achse 18 auf und liegen paarweise einander gegenüber, vorteilhafterweise dergestalt, daß eine Verbindungsgerade durch die Mittelpunkte der ein erstes Paar bildenden Hohlkugeln 70 und 72 parallel zu der ersten Schwenkachse 24 und eine Verbindungsgerade durch die Mittel­ punkte der ein zweites Paar bildenden Hohlkugeln 74 und 76 parallel zu der zweiten Schwenkachse 26 des Spiegels 14 aus­ gerichtet ist.

Die Ausgestaltung der Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 ist iden­ tisch und wird am Beispiel der in Fig. 4 vergrößert darge­ stellten Hohlkugel 74 im einzelnen erläutert.

Die Hohlkugel 74 umfaßt zwei miteinander fluchtende halb­ kugelförmige Ausnehmungen 80, 82 an der Unterseite 56 des Oberteils 46 bzw. an der Oberseite 68 des Unterteils 44 des Aperturflansches 36. Ein solcher Aufbau der Hohlkugel 74 aus zwei Halbkugeln 80, 82 ist fertigungstechnisch besonders günstig. Die beiden Halbkugeln 80, 82 weisen beispielsweise einen Durchmesser von 10 mm auf.

Die Oberfläche der halbkugelförmigen Ausnehmungen 80, 82 ist mit einem matt-weißen, hochtemperaturbeständigen Lack ver­ sehen, der seine Reflektivität von Raumtemperatur bis zu einer Temperatur von 1300°C im wesentlichen nicht ändert.

In die Ausnehmung 80 im Oberteil 46 mündet ein beispiels­ weise zylindrischer Eintrittskanal 84 an einer beispiels­ weise kreisflächenförmigen Eintrittsöffnung 86.

Eine die Mittelpunkte der Eintrittsöffnungen 86 der Hohl­ kugeln 70 und 72 miteinander verbindende Verbindungsgerade 37 ist parallel zu der ersten Schwenkachse 24, eine die Mittelpunkte der Eintrittsöffnungen 86 der Hohlkugeln 74 und 76 miteinander verbindende Verbindungsgerade 89 parallel zu der zweiten Schwenkachse 26 des Spiegels 14 ausgerichtet.

An seinem der Eintrittsöffnung 86 abgewandten Ende mündet der Eintrittskanal 84 auf die Begrenzungsfläche 78 der Ringöffnung 38. Der Eintrittskanal 84 kann beispielsweise senkrecht zu der Begrenzungsfläche 78 ausgerichtet sein und einen Durchmesser von 1 mm aufweisen, was ungefähr einem Zehntel des Innendurchmessers der Hohlkugel 74 entspricht.

In die Ausnehmung 82 im Unterteil 44 des Aperturflansches 36 mündet ein beispielsweise zylindrischer Glasfaserkanal 88 an einer beispielsweise kreisflächenförmigen Kanalöffnung 90. An einem der Kanalöffnung 90 abgewandten Ende mündet der Glasfaserkanal 88 auf eine Unterseite 92 des Unterteils 44 des Aperturflansches 36. Der Glasfaserkanal 88 kann bei­ spielsweise parallel zu der Begrenzungsfläche 78 verlaufen.

Alternativ dazu kann der Glasfaserkanal 88 auch parallel zu der Oberseite 68 des Unterteils 44 verlaufen.

Zwischen der Kanalöffnung 90 und der Eintrittsöffnung 86 ist ein lichtundurchlässiger Schatter 94 angeordnet, der jede Verbindungsgerade zwischen je einem Punkt der Kanalöffnung 90 und der Eintrittsöffnung 86 schneidet, so daß kein Licht auf direktem Wege von der Eintrittsöffnung 86 zu der Kanalöffnung 90 gelangen kann. Der Schatter 94 kann, wie in Fig. 4 dargestellt, direkt an der Oberfläche einer der Halb­ kugel 80 oder 82 angeordnet sein oder durch mindestens einen Halter an derselben gehalten sein. Um die Abmessungen des Schatters 94 klein halten zu können, ist es von Vorteil, wenn der Winkelabstand der Kanalöffnung 90 und der Ein­ trittsöffnung 86 bezüglich des Mittelpunktes der Hohlkugel 74 möglichst klein ist.

Wird der Schatter 94 durch einen Halter gehalten, so wird er vorzugsweise vor der Kanalöffnung 90 koaxial zu derselben angeordnet.

In den Glasfaserkanal 88 ist eine Glasfaser 96 eingeschoben, die einerseits an der Kanalöffnung 90 und andererseits an einem (in Fig. 3 schematisch dargestellten) Lichtdetektor 98 endet.

Zusammen mit dem ihr zugeordneten Lichtdetektor 98 bildet jede der als Diffusor wirkenden Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 jeweils eine Meßeinrichtung zur Messung der Flußdichte der auf den Aperturflansch 36 einfallenden Solarstrahlung.

Jeder jeweils einer der Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 zuge­ ordnete Lichtdetektor ist über eine (in Fig. 1 dargestellte) Verbindungsleitung 100 mit einem Regler 102, beispielsweise einem PID-Regler, verbunden. Über die Verbindungsleitung 100 kann ein elektrisches Detektorsignal vom Lichtdetektor 98 zum Regler 102 gelangen.

Der Regler 102 ist seinerseits über eine Verbindungsleitung 104 mit der Bewegungseinrichtung 28 verbunden, über die elektrische Steuersignale vom Regler 102 zu der Bewegungs­ einrichtung 28 gelangen können.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung 10 zum Konzentrieren von Solarstrahlung auf einen Absorber 30 funktioniert wie folgt:
Zunächst wird angenommen, daß das Konzentratorelement 12, beispielsweise durch manuelle Steuerung der Bewegungsein­ richtung 28, optimal auf die Sonne ausgerichtet ist; direkt von der Sonne kommende Strahlenbündel 16 treffen also im Mittel parallel zur optischen Achse 18 auf den Spiegel 14 auf. Aufgrund der nicht verschwindenden Ausdehnung der Sonnenscheibe setzt sich die einfallende Solarstrahlung aus Strahlenbündeln zusammen, die um kleine Winkel (bis zu ungefähr 0,25° gegen die optische Achse 18 geneigt sind (wie in Fig. 1 für maximale Winkel mit der optischen Achse 18 einschließende Strahlenbündel 16a und 16b gezeigt), so daß die einzelnen Strahlenbündel vom Spiegel 14 nicht alle auf den Brennpunkt 20, sondern zumeist auf einen anderen Punkt der Brennebene 42 abgebildet werden. Auf diese Weise entsteht in der Brennebene 42 ein zu dem Brennpunkt 20 radialsymmetrischer Brennfleck mit einem im wesentlichen gaußförmigen Strahlungsflußdichteprofil.

Im Zentrum des Brennfleckes kann die Strahlungsflußdichte mehr als das 5000fache der nicht konzentrierten Solarstrah­ lungsflußdichte betragen. Mit zunehmender Entfernung vom Brennpunkt 20 fällt die Strahlungsflußdichte zwar ab, be­ trägt jedoch an der Oberfläche des Aperturflansches 36 immer noch mehrere hundert KW/m² und ist damit zu groß um mit konventionellen optischen Methoden gemessen werden zu können.

Durch die Eintrittskanäle 84 gelangt ein kleiner Teil des auf die Begrenzungsfläche 78 fallenden Solarstrah­ lungsflusses in jeweils eine der Hohlkugeln 70, 72, 74 oder 76.

Wegen der Abschattungswirkung des Schatters 94 kann kein Licht direkt von der Eintrittsöffnung 86 zu der Kanalöffnung 90 gelangen. Die Kanalöffnung 90 und das dort befindliche Ende der Glasfaser 96 werden vielmehr nur indirekt beleuch­ tet durch Lichtstrahlen, die nach dem Eintritt in die Hohl­ kugel 70, 72, 74 oder 76 mindestens einmal an der Wand der­ selben reflektiert wurden. Aufgrund der Kugelform der Hohl­ kugeln 70, 72, 74 und 76 und wegen des auf deren Wandflächen überall gleichen Reflexionsvermögens ist die mittelbare Be­ leuchtung gleichmäßig und proportional dem Gesamtlichtstrom in der betreffenden Hohlkugel 70, 72, 74 oder 76. Da die ge­ samte Wandfläche der Hohlkugel 70, 72, 74 oder 76 um etwa zwei Größenordnungen größer ist als die Fläche der Ein­ trittsöffnung 86, ist die Strahlungsflußdichte an der Kanalöffnung 90 um einen entsprechenden Faktor gegenüber der Strahlungsflußdichte an der Eintrittsöffnung 86 reduziert. Die Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 wirken somit als Diffusoren zur Verringerung der Flußdichte der durch die Eintritts­ kanäle 84 einfallenden Solarstrahlung.

Die so reduzierte Strahlungsflußdichte wird in die Glasfaser 96 eingekoppelt, ohne diese zu beschädigen, und gelangt so zu dem zugeordneten Lichtdetektor 98, der ein dem redu­ zierten Strahlungsfluß entsprechendes elektrisches Detektor­ signal erzeugt.

Das Signal jedes Detektors 98 wird über die zugehörige Leitung 100 an den Regler 102 weitergeleitet, in dem die jeweils demselben Hohlkugelpaar 70, 72 oder 74, 76 zuge­ ordneten Signale miteinander verglichen werden.

Die Detektorsignale sind so kalibriert, daß bei optimaler Ausrichtung des Konzentratorelementes 12 auf die Sonne und infolgedessen zu dem Brennpunkt 20 radialsymmetrischem Brennfleck die den Hohlkugeln 70 und 74 zugeordneten Signale gleich groß sind wie die Signale der den jeweils gegenüber­ liegenden Hohlkugeln 72 bzw. 76 zugeordneten Signale.

Sind die den Hohlkugeln 70 und 72 einerseits und 74 und 76 andererseits zugeordneten Detektorsignale jeweils einander gleich, betätigt der Regler 102 die Bewegungseinrichtung 28 daher nicht.

Weicht jedoch im Laufe der Zeit die Ausrichtung des Konzen­ tratorelementes 12 aufgrund der Relativbewegung zwischen der Sonne und dem Konzentratorelement 12 von der optimalen Aus­ richtung auf die Sonne ab, so wird der von dem Spiegel 14 erzeugte Brennfleck bezüglich des Brennpunktes 20 unsymme­ trisch, was dazu führt, daß die durch die Einfallskanäle 84 in die Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 gelangenden Strahlungs­ flüsse und infolgedessen die den Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 zugeordneten Detektorsignale nicht mehr miteinander über­ einstimmen.

Weichen die den Hohlkugeln 70 und 72 zugeordneten Signale voneinander ab, so sendet der Regler 102 ein Steuersignal über die Leitung 104 an die Bewegungseinrichtung 28, so daß die Bewegungseinrichtung 28 den Spiegel 14 um die zweite Schwenkachse 26 verschwenkt, bis die den Hohlkugeln 70 und 72 zugeordneten Signale wieder miteinander übereinstimmen.

Weichen die den Hohlkugeln 74 und 76 zugeordneten Signale voneinander ab, so sendet der Regler 102 über die Leitung 104 ein Steuersignal an die Bewegungseinrichtung 28, so daß die Bewegungseinrichtung 28, den Spiegel 14 um die erste Schwenkachse 24 verschwenkt, bis die den Hohlkugeln 74 und 76 zugeordneten Signale wieder miteinander übereinstimmen.

Durch die beschriebene Regelung wird somit der Spiegel 14 der Sonne automatisch nachgeführt, so daß dessen optische Achse 18 stets mit der mittleren Richtung der von der Sonne kommenden Strahlenbündel 16 übereinstimmt und der auf dem Absorber 30 und dem Aperturflansch 36 erzeugte Brennfleck radialsymmetrisch zum Brennpunkt 20 ist.

Dadurch wird der Solarstrahlungsfluß auf die absorbierende Stirnwand 32 des Absorbers 30 maximiert, und das Entstehen hoher Temperaturgradienten an der absorbierenden Stirnwand 32, die zu einer Beschädigung des Absorbers 30 führen könnten, wird vermieden.

Die beschriebene Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konzentrieren von Solarstrahlung läßt sich leicht unter anderem dadurch modifizieren, daß der radiale Abstand der Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 vom Brennpunkt 20 oder die Anzahl der Hohlkugeln verändert werden.

Insbesondere kann bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konzentrieren von Solar­ strahlung, deren Aperturflansch 36 in Fig. 5 dargestellt ist, vorgesehen sein, daß zu jedem Paar von Hohlkugeln 70, 72 und 74, 76 ein zu dem jeweiligen Paar koaxiales weiteres Paar von Hohlkugeln 106, 108 bzw. 110, 112 vorhanden ist, wobei die Hohlkugeln 106, 108, 110 und 112 einen größeren Abstand vom Brennpunkt 20 aufweisen als die Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76. Die Hohlkugeln 106, 108, 110 und 112 sind im wesentlichen gleich aufgebaut wie die Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76 und bilden wie diese zusammen mit (nicht darge­ stellten) Lichtdetektoren Meßeinrichtungen zur Messung der Flußdichte der auf den Aperturflansch 36 einfallenden Solar­ strahlung.

Die den weiter außen liegenden Hohlkugeln 106, 108, 110 und 112 zugeordneten Detektorsignale können zu einer Grobrege­ lung der Ausrichtung des Konzentratorelementes 12 verwen­ det werden, wenn die optische Achse 18 des Spiegels 14 be­ reits so weit von der mittleren Einfallsrichtung der von der Sonne kommenden Strahlungsbündel 16 abweicht, daß das Strahlungsflußdichtemaximum des Brennflecks einen größeren Abstand vom Brennpunkt 20 aufweist als die Eintrittsöff­ nungen 86 der weiter innen liegenden Hohlkugeln 70, 72, 74 und 76.

Claims (24)

1. Vorrichtung zum Konzentrieren von Solarstrahlung auf einen Absorber, umfassend ein Konzentratorelement, das einfallende Solarstrahlung in einem Brennfleck auf dem Absorber konzentriert, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) mindestens eine Meßeinrichtung zur Messung der Flußdichte der Solarstrahlung im Bereich des Brennflecks aufweist und daß die Meßeinrichtung eine Eintrittsöffnung (86), durch die ein Teil der Solarstrahlung in die Meßeinrichtung gelangt, einen Diffusor (70, 72, 74, 76; 106, 108, 110, 112) zur Ver­ ringerung der Flußdichte der in die Meßeinrichtung ge­ langten Solarstrahlung und einen Detektor (98) zur Messung der mittels des Diffusors (70, 72, 74, 76; 106, 108, 110, 112) verringerten Flußdichte umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Regelung (102) aufweist, die die relative Ausrichtung des Konzentratorelementes (12) zur Solarstrahlung in Abhängigkeit vom Ergebnis der Messung verändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Eintrittskanal (84) aufweist, durch den ein Teil der Solarstrahlung zu der Eintrittsöffnung (86) gelangt.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens ein Paar von Meßeinrichtungen umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Eintrittsöffnungen (86) der Meßeinrich­ tungen des Paares miteinander verbindende Verbindungs­ gerade (87, 89) eine optische Achse (18) des Konzen­ tratorelementes (12) schneidet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (86) der Meßeinrichtungen des Paares symmetrisch zu der optischen Achse (18) des Konzentratorelementes (12) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Eintrittsöffnungen (86) der Meßeinrich­ tungen des Paares miteinander verbindende Verbindungs­ gerade (87, 89) im wesentlichen senkrecht zu einer Schwenkachse (24, 26) des Konzentratorelementes (12) ausgerichtet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung (10) mindestens zwei Paare von Meßeinrichtungen umfaßt, wobei die Eintritts­ öffnungen (86) der Meßeinrichtungen jedes Paares symme­ trisch zu der optischen Achse (18) des Konzentratorele­ mentes (12) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Eintrittsöffnungen (86) der Meßeinrich­ tungen eines Paares miteinander verbindende Verbin­ dungsgerade (87) quer, insbesondere senkrecht zu einer die Eintrittsöffnungen (86) der Meßeinrichtungen eines weiteren Paares miteinander verbindenden Verbindungsge­ rade (89) ausgerichtet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Eintrittsöffnungen (86) der Meßeinrich­ tungen eines Paares miteinander verbindende Verbin­ dungsgerade (87; 89) parallel zu einer die Eintritts­ öffnungen (86) der Meßeinrichtungen eines weiteren Paares miteinander verbindenden Verbindungsgerade (87; 89) ausgerichtet ist und die Eintrittsöffnungen (86) des einen Paares einen größeren radialen Abstand von der optischen Achse (18) des Konzentratorelementes (12) als die Eintrittsöffnungen (86) des weiteren Paares aufweisen.

11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (70, 72, 74, 76; 106, 108, 110, 112) eine die in die Meßeinrichtung gelangende Solarstrahlung diffus reflektierende Ober­ fläche aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (70, 72, 74, 76; 106, 108, 110, 112) einen bis auf die Eintrittsöffnung (86) und eine Aus­ trittsöffnung (90) für den Detektor (98) abge­ schlossenen Hohlkörper umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Hohlkörper die Form einer Hohl­ kugel aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlkörper zwei Ausnehmungen (80, 82) in zwei aneinander anliegenden Festkörpern (44, 46) um­ faßt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die diffus reflektierende Ober­ fläche sehr viel größer, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100 größer, ist als die Fläche der Ein­ trittsöffnung (86).

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die diffus reflektierende Ober­ fläche einen im wesentlichen von der Frequenz der ein­ fallenden Strahlung unabhängigen Reflexionsgrad von un­ gefähr 0,7 bis 0,9 aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die diffus reflektierende Ober­ fläche mit einem matt-weißen Lack versehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Reflexionsgrad der diffus reflektierenden Oberfläche von Raumtemperatur bis zu einer Temperatur von über 1000°C im wesentlichen nicht ändert.

19. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (70, 72, 74, 76; 106, 108, 110, 112) gekühlt wird.

20. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung in einer Aperturblende (36) der Vorrichtung (10) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Ab­ schirmung (94) aufweist, die verhindert, daß Solar­ strahlung direkt von der Eintrittsöffnung (86) zum Detektor (98) gelangt.

22. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (98) einen optischen Detektor umfaßt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (98) einen Halbleiter-Photodetektor umfaßt.

24. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (98) einen an den Diffusor (70, 72, 74, 76; 106, 108, 110, 112) ge­ koppelten Lichtleiter (96) umfaßt.