DE69007059T2

DE69007059T2 - Vorrichtung zum Konzentrieren von Strahlen.

Info

Publication number: DE69007059T2
Application number: DE69007059T
Authority: DE
Inventors: Ari Rabl
Original assignee: Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
Current assignee: Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
Priority date: 1990-01-02
Filing date: 1990-12-24
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: US5154163A; FR2656679A1; EP0436433B1; IL96846A; EP0436433A1; WO1991010103A1; IL96846A0; DE69007059D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlenbündler, insbesondere für ein Solarkraftwerk. Man kennt derartige Strahlenbündler für ein Solarkraftwerk, die hauptsächlich aus zylindrischen Reflektoren mit parabolischer Basis bestehen und die die Sonnenstrahlen auf zylindrische Rohre mit kreisförmigem Querschnitt konzentrieren, welche im Brennpunkt der Parabel angeordnet sind und deren Erzeugende parallel zu denen des Reflektors verlaufen, wobei die Röhre von einem Wärmeaustauschfluid durchströmt werden. Diese Bündler haben den Vorteil, daß sie die Realisierung von parabolischen Reflektoren mit großem Öffnungswinkel erlauben, welche es ermöglichen, die Wärmetauscherrohre in der Nähe des Reflektorschwerpunktes anzuordnen, wodurch die mechanische Widerstandsfähigkeit des Bündelungssystems günstig beeinflußt und ein Schwenken des Bündlers um seinen Schwerpunkt bei sehr kleinen Relativbewegungen des Wärmetauscherrohrs ermöglicht wird, was dessen Abdichtung vereinfacht.
Derartige Bündler besitzen eine relativ geringe Bündelungswirkung, weshalb vorgeschlagen wurde, dem parabolischen Reflektor einen sogenannten CPC-Reflektor hinzuzufügen, d.h. einen Reflektor, der aus zwei zylindrischen Elementen besteht, deren elliptische Basis symmetrisch bezüglich einer Mittelachse ist und bei denen einer der Brennpunkte durch das hintere Ende des Reflektorelements gebildet wird, das seinerseits symmetrisch bezüglich der Mittelachse ist, und der andere Brennpunkt durch den Schnittpunkt der Gerade gebildet wird, die das hintere Ende dieses Elements mit dem vorderen Ende des anderen Elements verbindet, wobei der Parabolreflektor auf der anderen Seite des vom Wärmetauscherfluid durchflossenen Rohrs liegt.
Dennoch wird die durch den CPC bewirkte Bündelung bei derartigen Bündlern nur im Fall von Parabolreflektoren mit geringem Öffnungswinkel spürbar erhöht, so daß die Kollektorhersteller aus den vorher erwähnten Gründen die Herstellung von zylindrischen, aus einfachen Parabolreflektoren aufgebauten Kollektoren bevorzugten, trotz der sich daraus ergebenden geringen Bündelungswirkung.
Man kennt durch ein Veröffentlichung "Applied Optics", vol. 19, nº 3 von Februar 1980, Seiten 347 bis 351 auch eine Bündelungsvorrichtung mit mindestens einem Bündelungselement, die dazu dient, eine Bündelung von im wesentlichen parallelen Strahlen auf ein Empfängerelement durchzuführen, wobei das Bündelungselement einen zylindrischen Hauptreflektor aufweist, dessen Basis aus einem Parabelbogen mit zur Strahlungsrichtung paralleler Achse besteht, sowie einen Sekundärreflektor, der aus zwei zylindrischen Elementen besteht, deren Basis aus mindestens einem verallgemeinerten Evolventenbogen besteht, deren Hohlflächen sich gegenüberliegen, wobei jeder dieser Bögen in einem Vorderende endet, welche ein Segment einer Geraden definieren, auf dem sich der Brennpunkt des Parabelbogens befindet, welcher die Basis des Hauptreflektors bildet, sowie einem hinteren Ende, wobei der Brennpunkt jedes verallgemeinerten Evolventenbogens jeweils von dem Ende des Parabelbogens gebildet wird, das seiner Hohlfläche gegenüberliegt.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Schwierigkeiten zu überbrücken, indem sie eine neue Art der Kombination von parabolischen Reflektoren und Reflektoren vom CPC Typ vorschlägt.
Die vorliegende Erfindung hat daher eine Bündelungsvorrichtung zum Ziel, die dazu dient, eine Bündelung von im wesentlichen parallelen Stahlen auf ein Empfängerelement mit mindestens zwei Bündelungselementen durchzuführen, wobei jedes Bündelungselement einen zylindrischen Hauptreflektor aufweist, dessen Basis aus einem Parabelbogen mit zur Strahlungsrichtung paralleler Achse besteht, sowie einen Sekundärreflektor, der aus zwei zylindrischen Elementen besteht, deren Basis aus mindestens einem verallgemeinerten Evolventenbogen mit sich gegenüberliegen Hohlflächen besteht, wobei jeder dieser Bögen in einem Vorderende endet, welche ein Segment einer Geraden definieren, auf dem sich der Brennpunkt des Parabelbogens befindet, der die Basis des Hauptreflektors bildet, sowie einem hinteren Ende, wobei der Brennpunkt jedes verallgemeinerten Evolventenbogens jeweils von dem Ende des Parabelbogens gebildet wird, das seiner Hohlfläche gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus zylindrischen Elementen besteht, welche bezüglich einer Ebene gleicher Richtung wie die Strahlen symmetrisch sind, sowie dadurch, daß die Achse des Parabelbogens in Richtung der Seite des Parabelbogens um einen Abstand bezüglich der Symmetrieebene versetzt ist.
Der Bündler nach der Erfindung ermöglicht eine spürbare Verbesserung der Bündelungswirkung um einen Faktor von ungefähr 2,5.
Außerdem können beim Bündler nach der Erfindung große Öffnungswinkel von bis zu 120º erzielt werden, ohne daß die Bündelungswirkung merklich nachläßt.
Man weiß aber, daß es zum Erzielen einer optinialen Bündlerleistung erforderlich ist, zu berücksichtigen, daß die Sonnenstrahlen nicht in ihrer Gesamtheit parallel sind, und daß auch die Strahlen, die um einen Winkel δ von deren Hauptrichtung abweichen, vom Bündler auf das Empfangerelement reflektiert werden müssen.
Es wird daher eine theoretische Bündelungsgrenze definiert zu: Cmax = 1/ sin δ
Demnach ist in einem Bündler konventionellen Typs, d.h. bestehend aus einem zylindrischen Element, dessen Basis durch einen Parabelbogen gebildet wird, die Bünde lung durch folgende Beziehung definiert:
C = 2XA/2πr = sinφ/π × 1/sinδ = sinφ/π × Cmax (1)
wobei:
XA den Abstand des Endpunktes A der Parabel von deren Achse bezeichnet.
r den Radius der kreisförmigen Basis eines zylindrischen Rohrs bezeichnet, das das Empfängerelement bildet, in dem das Wärmetauschfluid fließt und auf das die Strahlen gebündelt werden.
φ bezeichnet den Öffnungswinkel des Parabelbogens, d.h. den Winkel, der dessen Außenkante mit der Symmetrieachse einschließt.
Die maximale Bündelung, die von diesem Bündlertyp geliefert werden kann, be trägt daher im besten Fall, d.h. bei einem Öffnungswinkel von φ = 90º, nur einen Wert von 1/π, was 32% der theoretischen maximalen Bündelung Cmax entspricht.
Wie nachfolgend beschrieben; erlaubt die vorliegende Erfindung eine relative Bündelung (d.h. das Verhältnis der Bündelungswirkung des Bündlers zur maximalen theoretischen Bündelung Cmax multipliziert mit 100) von 90% bei einem Öffnungswinkel φ der Parabel von 90º.
Des weiteren erlaubt die vorliegende Erfindung, selbst im Fall von größeren Öffnungswinkeln der Parabel, die von Bündler gelieferte Bündelungswirkung auf interessanten Werten zu halten.
So kann ein Bündler nach der Erfindung bei einem Öffnungswinkel φ von 120º eine Bündelung von 78% liefen.
In einer interessanten Variante der Erfindung ist es möglich, eine verallgemeinerte Kreisevolvente als Ellipse auszühren, sofern das Empfängerelement eine ebene Austauschoberfläche besitzt, und daher ist es vielversprechend, zylindrische Sekundärreflektoren herzustellen, deren Basis elliptische Form hat.
Im folgenden Text wird mit dem Term verallgemeinerte Evolvente einer konvexen Kurve eine Kurve bezeichnet, die eine solche Form hat, daß in jedem Punkt M von dieser die Gerade, die bezüglich der Senkrechten der Tangente an die Kurve im Punkt M zur vom Punkt M ausgehenden Tangente an die konvexe Kurve symmetrisch ist, durch einen festen Punkt oder Brennpunkt geht.
Im folgenden werden beispielhaft, aber nicht einschränkend, verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen, welche zeigen:
Fig. 1 eine Halb-Ansicht eines senkrechten Querschnitts eines Bündlers nach der Erfindung bei Verwendung eines parallelepipedförmigen Empfängerelements.
Fig. 2 eine Halb-Ansicht eines senkrechten Querschnitts eines Bündlers nach der Erfindung bei Verwendung eines zylindrischen Empfängers mit kreisförmiger Basis.
Fig. 3 einen Graphen, der den Quotienten der Bündelung von einem Bündler nach der Erfindung zur theoretisch maximalen Bündelung zeigt, in Abhängigkeit vom Öffnungswinkels des Parabolreflektors und von dem Winkel, der von der Achse der Parabel und der Gerade, die den Brennpunkt von dieser mit dem Aufang des Parabelbogens verbindet, eingeschlossen wird.
Fig. 4 eine Halb-Ansicht eines senkrechten Querschnitts einer Ausführungsvariante eines Bündlers nach der Erfindung.
Fig. 5 eine Teilansicht von Figur 4 in vergrößertem Maßstab.
Fig. 6 und 7 Halb-Ansichten von senkrechten Querschnitten eines Bündlers nach der Erfindung, der aus zwei Bündlerelementen besteht.
Fig. 8 eine Detailansicht eines senkrechten Querschnitts eines Bündlers nach der Erfindung, der aus drei Bündlerelementen vom gleichen Typ wie in Fig. 2 besteht.
In den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung besteht der Bündler aus zwei Reflektorsystemen, die bezüglich einer Ebene P symmetrisch sind, und es wird im folgenden nur ein einziges Reflektorsystem beschrieben, das sich auf derselben Seite dieser Ebene P befindet.
In Fig. 1 setzt sich daher ein Halb-Bündler nach der Erfindung hauptsächlich aus zwei zylindrischen Reflektoren zusammen, nämlich einem Hauptreflektor 10, dessen Basis aus einem Parabelbogen AA' mit einer Achse zz' besteht, die parallel zur Symmetrieachse yy' liegt, welche in der Ebene P enthalten ist, welche ihrerseits, wie in Fig. 1 gezeigt, die Symmetrieachse des Bündlers bildet, sowie einem Sekundärreflektor 12 vom Typ "CPC", dessen Basis von zwei verallgemeinerten Evolventenbögen, nämlich BC und B'C', gebildet wird.
In dieser ersten Ausfürungsform der Erfindung besitzt das Empfängerelement 16 eine rechtwinklige Austauschoberfläche, deren Basis durch das Segment CC' gebildet wird. Unter diesen Voraussetzungen bestehen die verallgemeinerten Evolventenbögen aus zwei Ellipsenbögen BC bzw. B'C'. Der Bündler ist so orientiert, daß die Sonnenstrahlen zu seiner Symmetrieachse yy' parallel sind.
Die Achse zz' des Parabelbogens AA' ist bezüglich der Symmetrieaclise yy' des Bündlers um einen Wert d nach außen versetzt. Die von der Sonne kommenden Strahlen S&sub1; und S&sub2; , die an den zwei Endpunkten A bzw. A' des Parabelbogens AA' reflektien werden, kreuzen sich in dessen Brennpunkt F.
Wie vorher dargelegt, weichen die Sonnenstrahlen S'&sub1;, S"&sub1;, S'&sub2;,S"&sub2; jeweils um einen Winkel zur einen oder zur anderen Seite der parallelen Stahlen S&sub1; und S&sub2; ab und werden in A bzw. A' gemäß den Strahlen AT'&sub1; bzw. AT"&sub1; einerseits, und AT'&sub2; bzw. AT"&sub2; andererseits, reflektiert.
Demzufolge werden alle innerhalb des Winkels S"&sub1;AS'&sub1; einfallenden Strahlen in A auf dem Parabelbogen AA' reflektiert und werden von diesem innerhalb eines Winkels T"&sub1;AT'&sub1; abgestrahlt, und die innerhalb des Winkels S"&sub2;AS'&sub2; einfallenden Sonnenstrahlen, werden in A' auf dem Parabelbogen AA' reflektiert und von diesem innerhalb eines Winkels T"&sub2;AT'&sub2; abgestrahlt. Die Überschneidung dieser beiden Winkel definiert so ein Segment BB', das Basis der Brennebene des parabolischen Hauptreflektors ist, in dessen Inneres alle vom Parabelbogen AA' reflektierten Strahlen eintreten und auf dem im wesentlichen mittig der Brennpunkt des Parabelbogen AA' angeordnet ist.
Zur Bündelung dieser Strahlen wird ein zylindrischer Reflektor vom Typ "CPC" verwendet, für welchen das Segrnent BB' die Rolle eines virtuellen Objekts spielt, und welcher durch zwei zylindrische Elemente, deren Basis aus den zwei Ellipsenbögen BC und B'C' besteht, gebildet wird.
Die jeweiligen Brennpunkte C',A' und C, A jeder der Ellipsenbögen BC bzw. B'C' werden einerseits durch das hintere Ende des anderen Ellipsenbogens C' bzw. C gebildet, und andererseits durch den Schnittpunkt der Gerade, die das hintere Ende C bzw. C' dieses Ellipsenbogens BC bzw. B'C' am vorderen Ende B' bzw. B des anderen Ellipsenbogens B'C' bzw. BC mit dem Parabelbogen AA' verbindet. Also hat der Ellipsenbogen BC die Brennpunkte C' und A' und der Ellipsenbogen B'C' die Brennpunkte C und A.
Nach einer den Reflektoren Vom "CPC"-Typ eigenen Besonderheit treten alle Strahlen, die sein Inneres eintreten, durch eine ebene Fläche hindurch, deren eine Seite durch eine Erzeugende des den CPC-Reflektor bildenden Zylinders gebildet wird und deren andere durch das Segment CC', wobei keine gefangenen Strahlen zwischen den Elementen auftreten, die die Wände des CPC-Reflektors bilden.
Wenn man also die Randstrahlen betrachtet, d.h. einerseits die von S'&sub1; ausgehenden und in A reflektierten Strahlen, so treffen diese Strahlen auf B' und werden auf den Ellipsenbogen B'C' entlang eines Strahls B'C reflektiert und gleichermaßen werden die gegenüberliegenden Randstrahlen S"&sub1; in A reflektiert, durchlaufen den Punkt B, an dem sie nicht abgelenkt werden, und enden in C. Demzufolge treffen alle einfallenden Strahlen, die innerhalb des Winkel S'&sub1;AS"&sub1; liegen und in A reflektiert werden, zwischen den Punkten C und C' auf.
Gleichermaßen werden die Strahlen, die innerhalb des Winkel S'&sub2;S"&sub2; liegen, am anderen Endpunkt A' des Parabelbogen AA' reflektiert, um dann in den Sekundärreflektor 12 einzutreten und zwischen den Punkten C und C' aufzutreffen.
Die durch den CPC-Sekundärreflektor bewirkte Bündelung entspricht also dem Quotienten: BB'/CC'.
In dieser Ausführungsform der Erfindung befindet sich das Empfängerelement 16, das aus einem zylindrischen Rohr mit rechtwinkligem Querschnitt und Basis CC' besteht und in dessen Innerem ein Wärmeaustauschfluid fließt, in Kontakt mit den hinteren Endpunkten des Reflektors 12.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung besteht das Empfängerelement 16 aus einem elektrischen Kollektor, der die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt.
Es wird jedoch im allgemeinen im Fall von thermischen Kollektoren die Verwendung von zylindrischen Rohren mit kreisförmigem Querschnitt bevorzugt, einerseits aufgrund ihres günstigen Verhältnisses Oberflächen/Voumen, das den besten Kompromiß hinsichtlich der thermischen Verluste darstellt, und andererseits wegen ihrer leichten Verfügbarkeit.
In Fig. 2 ist ein Halbbündler dargestellt, der mit einem Empfängerelement versehen ist, welches aus einem zylindrischen Rohr 20 mit kreisförmigem Querschnitt besteht, in dem ein Wärmeaustauschfluid 22 zirkuliert. Der Bündler, von dem aus vorher erläuterten Symmetriegründen nur die rechte Seite dargestellt ist, umfaßt zwei zylindrische Reflektoren mit parallel zu denen des Empfängerrohres 20 verlaufenden Erzeugenden, nämlich einen Hauptreflektor 24, dessen Basis aus einem Parabelbogen AA' mit Brennpunkt F und einer zur Symmetrieachse yy' des Bündlers parallelen und bezüglich dieser um den Abstand d versetzten Achse zz' besteht, sowie einen Sekundärreflektor 26, der aus zwei Reflektorelementen 28 und 30 besteht, die sich gegenüberliegen und deren Basis durch die zwei Bögen BCD bzw. B'C'D' gebildet wird.
Jeder der zwei Bögen wird durch einen Ellipsenbogen, BC bzw. B'C' gebildet, die wie zuvor zwei Segmente definieren, nämlich ein vorderes Segrnent BB' und ein hinteres Segment CC'. An jeden der Eillipsenbögen schließt sich ein Kreisevolventenbogen, CD bzw. C'D' an. Der Sekundärreflektor 26 ist so angeordnet, daß das Segment CC' in E den Kreis tangiert, der die Basis des Tauscherrohrs 20 bildet.
Wie vorher werden also alle Strahlen, die um den Winkel d zur einen oder zur anderen Seite von ihrer Hauptrichtung yy' abweichen, auf eine rechtwinklige Oberfläche konzentriert, deren eine Seite durch die Erzeugende des den den Sekundärreflektor 26 bildenden zweiten Zylinder, und dessen andere Seite durch das hintere Segment CC' gebildet wird. Diese Fläche fungiert also als virtuelles Objekt bezüglich des übrigen Reflektors, d.h. der Fläche, deren Basis aus zwei Kreisevolventenbögen CD und C'D' gebildet wird. Der zweite Teil des Reflektors vom CPC-Typ ändert aufgrund seiner Basis in Form eines Kreisevolventenbogens nicht die Bündelung, da definitionsgemaß die Fläche mit der Basis CC', die die Rolle eines virtuellen Objekts spielt, genauso groß ist wie die des Halbzylinders mit dem Halbkreis DD' als Basis.
Aufgrund der geometrischen Definition des Kreisevolventenbogens erreichen alle von der Fläche mit der Basis EC kommenden Lichtstrahlen den Bereich ED des Empfängerelements 20 entweder direkt, oder nach Reflexion am Reflektor mit der Basis CD. Gleichermaßen erreichen von der Fläche mit der Basis EC' kommende einfallende Lichtstrahlen den Bereich des Empfängerelements 20 mit Basis ED' entweder dlrekt oder nach Reflexion am Kreisevolventenbogen mit der Basis C'D'.
Die mit einem Bündler nach der vorliegenden Ausführungsform erreichte Gesamtbündelung liegt im Bereich von 68% der zuvor bestimmten theoretischen Grenze Cmax.
Der Bündler nach det Erfindung ist im Prinzip durch zwei Winkel bestimmt, nämlich die Winkel φ' und φ, d.h. die Winkel, die von der Gerade, welche den Brennpunkt F des Parabelbogens AA' mit dem Punkt A' verbindet, bzw. von derjenigen, welche mit diesem den Punkt A dieses Bogens verbindet, mit der Achse zz' der Parabel eingeschlossen werden. Das Verhältnis der vom Bündler nach der Erfindung bewirkten Bündelung zur maximalen theoretischen Bündelung Cmax wird durch folgende Beziehung ausgedrückt:
In Figur 3 wurde diese Gleichung in Form eines Nomogramms dargestellt, indem man auf der Ordinate das vom Bündler gelieferte Bündelungsverhältnis als Funktion des Öffnungswinkels φ des Bündlers für verschiedene Werte des Winkels φ', nämlich 3º, 90º und 120º angetragen hat. So stellt man anhand dieses Graphen fest, daß im Fall der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform bei einem Wert von φ = 90º und φ' = 3º das Verhältnis der Bündelung des vorliegenden Bündlers zur maximalen theoretischen Bündelung Cmax bei ungefähr 68% liegt.
Um die Abmessungen sowie den Herstellungspreis des Bündlers zu verringen, kann man den Sekundärreflektor 26 verkürzen, wie in Figur 2 dargestellt. Die Erfahrung zeigt, daß beim Halbieren von dessen Länge, die vom Bündler bewirkte Bündelung nur um ca. 10% zurückgeht. So wud also in der Praxis der Sekundärreflektor 26 durch die Bögen DCBt und D'C'B't begrenzt. Bei einer Verschiebung des Segments BB' in Richtung des Empfängerelements 20 ist aüch der Parabelbogen AA', der dann in AtA't zu liegen kommt, um die gleiche Strecke zu verschieben, derart daß sich dessen Brennpunkt in Ft und damit im wesentlichen in der Mitte der Segments BtB't befindet.
Um die thermischen Verluste, denen der Bündler unterliegt, möglichst gering zu halten, wird das Empfängerelement 20 sowie der Sekundärreflektor 26 im Inneren einer evakuierten zylindrischen Umhüllung aus Glas 40 eingeschlossen, deren Erzeugende parallel zu denen des Empfängerelements 20 sind.
Der Durchmesser der Glasumhüllung 40 ist ungefähr vier bis fünf mal so groß wie der des Empfängerelements 20, also wird in der vorliegenden Ausführungsform mit einem Durchmesser des Empfängerelements im Bereich von 2,5 cm eine Glasumhüllung von 11cm Durchmesser verwendet, deren zugehöriger Hauptreflektor 24 einen Radius R von ungefähr 5 Metern hat.
In der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsvariante besteht ein Hallbündler nach der Erfindung aus einem zylindrischen Hauptreflektor 42, dessen Basis wie im vorhergehenden durch einen Parabelbogen AA' gebildet werden. Das Empfängerelement besteht aus einer photovoltaischen Zelle 44, deren Basis von einem Kreisbogen TT' (der zum Kreis gehört, von, welchem aus die verallgemeinerten Evolventenbogen BD und B'D' konstruiert sind) und aus zwei Geradensegmenten TD und T'D' gebildet wird, die den Kreis tangieren und durch die unteren A' bzw. oberen Endpunkte A des Parabelbogens AA' gehen. Um zu verhindern, daß der obere Teil des Reflektors mit Basis BD die Strahlen S&sub1;, die in A auf einen um einen Winkel δ in Richtung des Hauptreflektorinneren geneigten Eintrittsstrahl S"&sub1; reflektiert werden, am Eintritt hindert, muß man diesen verkürzen, derart daß seine Basis zu BtD wird.
Unter diesen Voraussetzungen und wie im vorstehenden spielt das Segment BtB' die Rolle eines virtuellen Objekts bezüglich der zwei Kreisevolventenbögen BtD und B'D't und Strahlen, die in den Randpunkten B' bzw. Bt des Segments B'Bt auftreffen und von den Brennpunkten A bzw A' der verallgemeinerten Kreisevolventen kommen, treffen, gemäß dem in vorstehendem erläuterten Konstruktionsprinzip der verallgemeinerten Evolvente, tangential auf die Wände TD und T'D' des Absorbers. Die Anderen Strahlen werden hingegen entweder direkt oder nach Reflexion durch den Absorber 44 absorbiert.
Selbstverständlich könnte in einer Ausführungsvariante der vorliegenden Ausführungsform ein Empfängerelement 44 verwendet werden, dessen Basis kreisförmig ist. In diesem Fall wäre es angezeigt, jeden verallgemeinerten Kreisevolventenbogen BtD und B'D' durch die Kreisevolventenbögen DE und D'E' zu verlängerrn, welche die Punkte D bzw. D' mit den Punkten E bzw. E' verbinden, die Schnittpunkte des Empfängerelements 44 mit der Bündlersymmetrieachse yy' des Bündlers sind, wie gestrichelt in Figur 5 angegeben. Eine solche Ausführungsform ist wegen ihres gleichmäßigen Krümmungsverlaufs von Interesse, speziell hinsichtlich einer Herstellung von Sekundärreflektoren.
Der Bündler nach der Erfindung kann auch, wie in den Figuren 6 und 7 dargestellt, aus vier Bündlerelementen des vorstehend beschrieben Typs bestehen, welche zwei und zwei symmetrisch zur die Achse yy' enthaltenden Symmetrieebene sind. Aus denselben Symmetriegründen wie zuvor wird nun eine einzige Hälfte der Bündlers im folgenden beschrieben werden.
Jeder der Halbreflektoren besteht aus einem zylindrischen Hauptreflektor, dessen Basis ein Parabelbogen 50 bzw. 52 ist und zu dem ein zylindrischer CPC- Sekundärreflektor 60 bzw. 62 gehört.
Der Hauptreflektor 50 des ersten Bündlerelements setzt sich also aus einem Zylinder zusammen, dessen Basis ein Parabelbogen A'&sub1;A&sub1; mit einer Achse z&sub1; z'&sub1; und einem um den Abstand d&sub1; zur Symmetrieachse yy' des Bündlers versetzten Brennpunkt F&sub1; ist und bei dem die Segmente F&sub1;A'&sub1; und F&sub1;A&sub1; die Winkel φ'&sub1; von 3º bzw. φ&sub1; von 45º mit der Achse z&sub1;z'&sub1; des Parabelbogens A'&sub1;A&sub1; einschließen.
Der Sekundärreflektor 60 dieses ersten Elements besteht seinerseits aus einem zylindrischen Reflektor des vorstehend beschrieben Typs, dessen Basis aus zwei Ellipsenbögen B'&sub1;C'&sub1; bzw. B&sub1;C&sub1; besteht, die durch zwei Kreisevolventenbögen C'&sub1;D'&sub1; bzw. C&sub1;D&sub1; verlängert sind.
Unter Bezugnahme auf die Kurve von Fig. 3 stellt man fest, daß deren Punkt G, der dieses erste Bündlerelement kennzeichnet, einer relativen Bündelung von ungefähr 93% entspricht.
Der Hauptreflektor 52 des zweiten Bündlerelements setzt sich ebenfalls aus einem Zylinder zusammen, dessen Basis ein Parabelbogen A'&sub2;A&sub2; mit einer Achse z&sub2;z'&sub2; und einem um den Abstand d&sub2; von der Symmetrieachse yy' des Bündlers versetzten Brennpunkt F&sub2; ist und bei dem die Segmente F&sub2;A'&sub2; und F&sub2;A&sub2; die Winkel φ'&sub2; = Winkel φ&sub1; des ersten Bündlerelements, nämlich 45º, und den Winkel φ&sub2; = 90º bilden.
Der Sekundärreflektor 62 dieses zweiten Bündlerelements besteht seinerseits aus einem zylindrischen Reflektor des vorstehend beschrieben Typs, dessen Basis aus zwei Ellipsenbögen B'&sub2;C'&sub2; bzw. B&sub2;C&sub2; besteht.
Da das die hintern Endpunkte C&sub2; und C'&sub2; des Sekundärreflektors 62 verbindende Segment C&sub2;C'&sub2; nicht in Kontakt mit dem die Basis des Empfängerelements bildenden Kreis ist, verwendet man Wandelements C'&sub2;D&sub1; und C&sub2; KGD&sub2;, um das virtuelle Objekt, dessen Basis durch das Segment C&sub2;C'&sub2; gebildet wird, bis zu einem Segment GG' (gestrichelt gezeichnet), das den die Basis des Rohrs 20 bildenden Kreis tangiert, zu "transportieren". Diese Wandelemente werden von einer Gerade C'&sub2;D&sub1; und einer komplexen Kurve gebildet, d.h. einer Kurve, die aus drei Bögen zusammengesetzt ist und aufeinanderfolgend einen Kreisbogen C&sub2;K mit Mittelpunkt C'&sub2; und gleichem Radius wie das Segment C&sub2;C'&sub2;, ein zum Segment C'&sub2;D&sub1; paralleles Geradensegment KG und einen Kreisevolventenbogen GD&sub2; aufweist.
Wie in Fig. 6 dargestellt und wie in der in Fig. 2 gezeigten Vorstehenden Ausführungsform erklärt ist, treten die von der Sonne kommenden Strahlen, die parallel zur Achse yy' des Bündlers sind, genauso wie die, die zur einen oder zur anderen Seite dieser Achse um einen Winkel δ geneigt sind, durch das Segment C&sub2;C'&sub2; hindurch.
Da der Bogen C&sub2;K aus einem Kreisbogen mit Radius C&sub2;C'&sub2; besteht, ist verständlich, daß alle Strahlen, die durch das Segment C&sub2;C'&sub2; und auf den Bogen C&sub2;K auftreffen, zu dessen Innerem hin reflektiert werden und demzufolge durch das Segment C'&sub2;K treten. Letzteres verhält sich also bezüglich des Systems wie ein virtuelles Objekt. In gleicher Weise treten alle Lichtstrahlen die durch das Segment C'&sub2;K treten, entweder auf direktem Weg oder nach Reflexion an den Segmenten KG oder C'&sub2;K treten, entweder auf direktem Weg oder nach Reflexion an den Segmenten KG oder C'&sub2;D&sub1;, durch das Segment G'G. Diese letzte Segment verhält sich dann wie ein virtuelles Objekt bezüglich des nachfolgenden Reflektorbereichs, und es wird von hier ab auf den Fall der vorstehenden Figur verwiesen, die Kreisevolventenbögen GD&sub2; und G'D&sub1; übertragen also ohne zusätzliche Bündelung alle Strahlen, die Kreisevolventenbögen BD&sub2; und G'D&sub1; übertragen also ohne zusätzliche Bündelung alls Strahlen, die durch das Segment G'G treten, auf die Oberfläche des Zylinders D&sub1;D&sub2;.
Der Graph von Fig. 3 liefert die relative Bündelung dieses zweiten Bündlerelements, das aus Gründen der Symmetrie sowie wegen der Winkel φ und φ' in Formel (2) durch den Punkt H gekennzeichnet ist, der den Winkeln φ&sub2;' = 45º und φ&sub2; = 90º entspricht. Diese relative Bündelung liegt daher in der Nähe von 90%.
Es ist zu zeigen, daß die Gesamtbündelung des Bündlers maximal wird, wenn die zwei Punkte G und H von Figur 6 im Punkt I aufeinander liegen. In diesem Punkt I besitzt jedes Bündlerelement, sowie der Bündler in seiner Gesamtheit, ein Bündelungsverhältnis von 90% bei Winkeln von
φ'&sub1; von 3º, φ&sub1; = φ'&sub2; = 50º und φ&sub2; = 90º.
Wie im vorstehenden wird aus Kosten- und Platzgründen der Sekundärreflektor 62 des zweiten Bündlerelements verkürzt, derart daß seine vorderen Endpunkte B&sub2; und B'&sub2; in B2t und B'2t zu liegen kommen. Wie in Fig.7 gezeigt, werden der Parabelbogen A'&sub2;A&sub2; und sein Brennpunkt F&sub2; um dieselbe Strecke verschoben und kommen in F2t und in A'2tA2t zu liegen.
Um die thermischen Verluste möglichst gering zu halten, wird der Bündler in einem zylindrischen Glasrohr 70 untergebracht, dessen Erzeugende parallel zu den Erzeugenden der Reflektoren und des Wärmeempfängerelements 20 sind, wobei dieses Rohr evakuiert ist.
Die Bündelung eines solchen Bündlers ist bezüglich der vorstehenden Ausführungsform spürbar erhöht, da wie vorher gezeigt, seine Bündelungkraft im Verhältnis zur maximalen theoretischen Bündelung im Bereich von 90% liegt.
Selbstverständlich kann man, wie schematisch in Fig.8 gezeigt ist, zur Verkleinerung des von den Sekundärreflektoren eingenommenten Volumens, genauso des Glasrohrdurchmessers und demnach auch dessen Kosten, eines oder mehrere zusätzliche Bündlerelemente realisieren.
In Fig.8 wird ein drittes Bündlerelement verwendet, und die drei wie die vorhergehenden gebildeten Hauptreflektoren sind nicht dargestellt.
Der Sekundärreflektor 80 dieses dritten Bündlerelements setzt sich also aus einem ersten Teil mit einer Basis in Form eines Ellipsenbogens zusammen, wie im vorstehenden gezeigt war, und einem zweiten komplexen Teil 84 mit einer Basis, die aus einem Kreisbogen C&sub3;J mit Mittelpunkt C'&sub3; und Radius C'&sub3;C&sub3; besteht, welcher an einem Segment J&sub3;C'&sub3; endet, durch welches alle C&sub3;C'&sub3; durchquerenden Strahlen hindurchtreten, und das sich wie ein virruelles Objekt bezüglich des weiteren Reflektorverlaufs verhält. Die Basis des Reflektors 84 wird fortgesetzt mit zwei Geradensegmenten JG und C'&sub3;G', die an einem Segment GG' enden, durch das alle JC'&sub3; passierenden Strahlen hindurchtreten und das sich wie ein virtuelles Objekt bezüglich des weiteren Reflektorverlaufs verhält. Die Basis des Reflektors 84 endet in einem Kreisevolventenbogen G'D&sub1;, so daß auf das vorstehende Problem verwiesen werden kann, und alle das Segment C&sub3;C'&sub3; durchquerenden Strahlen treffen auf den Kreisbogen GG' des Empfängerelements 20 auf Diese Anordnung erlaubt die Realisierung von Sekundärreflektoren mit geringerem Volumen, da Sekundärreflektoren mit zwei oder drei Bündlerelementen kompakter sind als ein die gleiche Funktion erfüllender Sekundärreflektor mit einem einzigen.

Claims

1. Bündelungsvorrichtung zum Konzentrieren von im wesentlichen parallel Strahlen auf ein Empfängerelement (16, 20, 44) mit mindestens zwei Bündelungselementen, wobei jedes Bündelungselement einen zylindrischen Hauptreflektor aufweist, dessen Basis durch einen Parabelbogen (A, A') mit zur Strahlungsrichtung paralleler Achse (zz') gebildet wird, sowie einen Sekundärreflektor bestehend aus zwei zylindrischen Elementen (BCD, B'C'D'), deren Basis aus mindestens einem verallgemeinerten Evolventenbogen besteht und deren Hohlflächen einander gegenüberliegen, wobei jeder dieser Bögen in einem Vorderende (B, B') endet, welche ein Segment einer Geraden (BB') definieren, auf dem sich der Brennpunkt (F) des Parabelbogens (AA') befindet, welcher die Basis des Hauptreflektors (10, 24, 50, 52) bildet, sowie in einem hinteren Endpunkt (C, C'), wobei der Brennpunkt jedes verallgemeinerten Evolventenbogens (BD und B'D') jeweils von dem Endpunkt (A', A) des Parabelbogens (AA') gebildet wird, das seiner Hohlfläche gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus zylindrischen Elementen besteht, welche bezüglich einer Ebene (P) gleicher Richtung wie die Strahlen symmetrisch sind, sowie dadurch, daß die Achse (zz') des Parabelbogens in Richtung der Seite des Parabelbogens (AA') um einen Abstand (d) bezüglich der Symmetrieebene (P) versetzt ist.

2. Bündelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis jedes Elements des Sekundärreflektors aus mindestens einem ellipsenförmigen Bogen (BC, B'C') besteht, dessen Brennpunkte (C',A'; C,A) zum einen vom hinteren Endpunkt (C, C) des anderen ellipsenförmigen Bogens (B'C', BC) und durch den Schnittpunkt der Gerade (CB'; C'B), welche den hinteren Endpunkt (C; C') dieses ellipsenförmigen Bogens (BC; B'C') über den vorderen Endpunkt (B'B) des anderen ellipsenförmigen Bogens (BC; B'C') mit dem Parabelbogen (A'A) verbindet gebildet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfängerelement (16) eine ebene Vorderseite aufweist, welche die hinteren Erzeugenden (C, C') berührt, die von den hinteren Endpunkten (C, C') der zwei den Sekundärreflektor bildenden Elemente (BC,B'C') ausgehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfängerelement (16) aus einem zylindrischen Rohr mit rechtechigem Querschnitt besteht, das von einem Wärmeaustauschfluid durchströmt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfängerelement (16) aus einem elektrischen Kollektor besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfängerelement aus einem zylindrischen Rohr mit kreisförmigen Querschnitt besteht, wobei die Elemente, die den Sekundärreflektor bilden, aus einer verallgemeinerten Kreisevolventen (BC,B'C') bestehende Basen haben, die mit der Oberfläche des Empfängerelements durch mindestens einen Kreisevolventenbogen (DC, D'C') verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfängerelement (20) eine Ebene tangiert, deren Basis aus einem Segment (CC') besteht, das die hinteren Endpunkte (C, C') der verallgemeinerten Kreisevolventenbögen (BC,B'C') verbindet, sowie aus den Erzeugenden des Reflektors, die von diesen Endpunkten (C; C') ausgehen.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (φ') zwischen der Achse (zz'), die vom Brennpunkt (F) des die Basis des Hauptreflektors bildenden Parabelbogens (AA') ausgeht, und dem Geradensegment, welches diesen Brennpunkt (F) mit dem Endpunkt (A') des Parabelbogens (AA') verbindet, der der Symmetrieachse (yy') der Bündelungsvorrichtung am nächsten liegt, zwischen 1º und 5º liegt.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (φ) zwischen der Achse (zz'), die vom Brennpunkt (F) des die Basis des Hauptreflektors bildenden Parabelbogens (AA') ausgeht, und dem Geradensegment, welches diesen Brennpunkt (F) mit dem von der Symmetrieachse (yy') der Bündelungsvorrichtung am weitesten entfernten Endpunkt (A) des Parabelbogens (AA') verbindet, zwischen 30º und 120º liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie vier Bündelungselemente aufweist, die jeweils paarweise symmetrisch bezüglich der Symmetrieebene (P) der Bündelungsvorrichtung sind, wobei die verallgemeinerten Evolventenbögen aus Ellipsenbögen (B'&sub1;C'&sub1;, B&sub1;C&sub1;) bestehend, der Sekundärreflektor (60) eines ersten Bündelungselements die Symmetrieebene (P) der Bündelungsvorrichtung tangiert und zwei zylindrische Bereiche mit einer Kreisevolventenbasis enthält, welche die jeweiligen hinteren Endpunkte (C'&sub1;,C&sub1;) der beiden Ellipsenbögen (B'&sub1;C'&sub1;, B&sub1;C&sub1;) jeweils mit dem unteren Bereich (D'&sub1;) und im wesentlichen in der Mitte der Wand des Basishalbkreises des Empfängerelements (20), oder mit dem Verbindungspunkt (D&sub1;) verbinden, und wobei ein zweites Bündelungselement, das bezüglich der Ebene (P) auf der gleichen Seite angeordnet ist wie das erste, zwei zylindrische Reflektoren aufweist, deren Basis jeweils durch zwei Ellipsenbögen (B'&sub2;C'&sub2;, B&sub2;C&sub2;) gebildet wird, welche jeweils mit einem Geradensegment (C'&sub2;D&sub1;) verlängert sind, das den hinteren Endpunkt des ersten Ellipsenbogens (B'&sub2;C&sub2;) mit dem Verbindungspunkt D&sub1; verbindet, sowie durch einen Kreisevolventenbogen (D&sub2;G), der vom oberen Schnittpunkt (D&sub2;) des Kreises mit der Symmetrieachse (yy') ausgeht und an seinem Schnittpunkt mit der Kreistangente (G'G) am Verbindungspunkt (D&sub1;) endet, gefolgt von einem Geradensegment (GK), das zum Geradensegment (C'&sub2;D&sub1;) parallel ist und gleiche Länge wie dieses hat, und einem Kreisbogen (KC&sub2;) mit einem Radius, der gleich der Länge des Segments (C'&sub2;C&sub2;) ist, welches die beiden hinteren Endpunkte (C'&sub2; und C&sub2;) verbindet.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärreflektoren (26, 43, 60, 62, 80) in einem strahlendurchlässigen zylindrischen Rohr (40,70) enthaltend sind, dessen Erzeugende parallel zu denen der Reflektoren verlaufen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Rohr luftdicht und evakuiert ist.