DE7905131U1

DE7905131U1 - Linearer stufen-sonnenkollektor mit geneigten reflektorplatten

Info

Publication number: DE7905131U1
Application number: DE19797905131U
Authority: DE
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1978-02-22
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1979-08-23
Also published as: IT1114985B; IL56714A0; FR2418475B1; CA1123292A; JPS54123962A; AU526479B2; GB2015188A; JPH0160801B2; DE2907128C2; ES477844A1; FR2418475A1; IT7948070A0; IL56714A; BR7900917A; GB2015188B; ZA787030B; AU4445779A; SU1138055A3; DE2907128A1

Description

Linearer Stufen-Sonnenkollektor mit geneigten Reflektorplatten

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sonnenlichtkonzentrator, der Sonnenstrahlung aufnimmt und auf eine Brennlinie fokussiert.

Lineare Fresnel- oder Stufenreflektoren werden zunehmend für das Konzentrieren von Sonnenenergie eingesetzt, da diese op tische Oberflächen sich sehr genau massenproduzieren lassen. Die herkömmlichen Sonnenlichtkonzentratoren, die mit solchen Reflektoren arbeiten, leiden aber unter einer Anzahl von Mängeln. Da sie so viel Sonnenlicht wie möglich auffangen sollen, hat man Sonnenkollektorsysteme mit großer Apertur konstruiert. Wenn jedoch die Apertur des Stufenreflektors relativ zur Brennlänge des Reflektors groß wird, verliert die Stufenoberfläche an Wirkungsgrad infolge einer partiellen Abschattung der zur Brennlinie gerichteten Strahlung durch die Stufen der Stufenfläche. Folglich wird ein Teil der von der Stufenfläche aufgefangenen Strahlung nicht auf die Brennlinie gerichtet und | man muß eine unerwünschte Verringerung des optischen Wirkungsgrads in Kauf nehmen.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Mängel des Standes der Technik durch eine neuartige Reflektorkonstruktion, die die Abschattung durch die Reflektorstufen verhindert und eine Konzentratorstruktur mit größerer Apertur ergibt, die sich mit herkömmlichen Nachführeinrichtungen zum Nachlaufen der Sonne einsetzen läßt.

Der Stufenreflektor nach der vorliegenden Erfindung ist in einer dünnen Polymerisatfolie ausgebildet. Die Folie hat eine glatte Oberfläche, und eine Oberfläche, die als Stufenreflektor konfiguriert ist. Die glatte Fläche der Folie bildet die ebene Grundfläche bzw. Grundebene. Die Folie wird auf eine tragende flache Grundplatte aufgeklebt, die herkömmlich aufgebaut sein kann. Die als Stufenreflektor konfigurierte Fläche weist eine Vielzahl reflektierender ebener Elemente auf, die jeweils unter einem vorbestimmten Winkel o^' zur ebenen Grundfläche geneigt

j sind. Die Stufenreflektorelemente sind durch Stufen bzw. Sprünr

ge voneinander getrennt, die im wesentlichen vertikal von der ebenen Grundfläche abstehen.

Im Einsatz nehmen die reflektierenden ebenen Elemente einfallende Strahlung auf und richten sie auf eine Brennlinie. Indem man die Stufenreflektor unter einem minimalen Kippwinkel 0 bezüglich einer Normalen zur einfallenden Strahlung neigt, kann man die gesamte Abschattung der einfallenden Strahlung durch die Reflektorstufen vermeiden.

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Zur Beschreibung der geometrischen Zusammenhänge zwischen den Stufenwinkeln & und dem minimalen Kippwinkel 0, der Abschattung durch die Reflektorstufen zu eliminieren gestattet, dienen zwei rechtwinklige XY-Koordinatensysteme. Im XY-Koordinatensystem liegt die X-Achse rechtwinklig zur einfallenden Sonnenstrahlung, die Y-Achse vertikal parallel zur einfallenden Strahlung; im X¹Y¹ Koordinatensystem liegt die X'-Achse entlang der ebenen Grundfläche und die Y'-Achse rechtwinklig zu dieser. Die Grundebene wird so gedreht, daß die Neigung des reflektierenden ebenen Elements im X'Y'-Koordinatensystem negativ und bezüglich des XY-Koordinatensystems positiv ist. Diese Änderung der Neigung bringt die Stufen aus dem Weg der einfallenden und der reflektierten Strahlung, so daß die Abschattung entfällt. Das reflektierende ebene Element hat eine negative Neigung bezüglich des X¹Y¹-Systems und ist daher als negativer Winkel in diesem Koordinatensystem definiert. Diese geometrische Bedingung, die den minimalen Kippwinkel 0 festlegt, der erforderlich ist, um die Abschattung durch die Reflektorstufen zu erreichen, erfordert, daß die Größe et¹ größer als oder gleich null und kleiner als oder gleich 0 ist.

Ein Paar dieser linearen Stufenreflektoren kann dann zu einer V-Struktur zusammengesetzt werden, in der die linearen Stufenreflektoren symmetrisch um die Winkelhalbierende des Scheitelwinkels der V-Struktur liegen. In dieser Konfiguration fokussiert jeder Reflektor einfallende Sonnenstrahlung auf eine

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Brennlinie, die auf dieser Winkelhalbierenden des Scheitelwinkels der V-Struktur liegt. Die Platten können in dieser

V-Struktur durch einen starren Lagerrahmen gestützt werden. Obgleich die hier angegebenen Konstruktionsbeispiele eine einfache V-Struktur betreffen, ist einzusehen, daß andere Konfigurationen möglich sind. Beispielsweise kann man eine Vielzahl :

unmittelbar aneinandergrenzender Platten einsetzen, die jeweils unter unterschiedlichen Kippwinkeln 0 geneigt sind, wobei 0 der minimale Kippwinkel ist, wenn keine Abschattung auftreten soll. Es ist einzusehen, daß die Platten unter einem größeren Winkel als 0 gekippt sein können, wenn ein Verlust an effektiver Apertur erlaubt ist; auf diese Weise erhält man größere effektive Aperturen ohne Stufenabschattung. Diese segmentierte Konfiguration erlaubt, die einzelnen Segmente flach zu halten ' und sie im Sinne einer Fokussiersteuerung optimal abzustimmen. ^:-

Die ebene Basisstruktur ist erforderlich, damit die Reflektorelemente genau auf die Empfangslinie fokussieren. Eine genaue Fokussierung erfordert, daß jeder Stufenwinkel bezüglich der Brennlinie genau eingestellt wird. Ein Fehler von/lot im Stufenwinkel ergibt eine Strahlabweichung d (Fig. 3)". Mit .4 θ = 2 erhält man also d = D 'Δ θ (Fig. 3). Diese Stufenwinkelfehler AOC' können sich aus Ungenauigkeiten des Mutterstempels, Abweichungen von der perfekten Flachheit der Platte und Fehlern bei der Plattenausrichtung ergeben. In guter Näherungf ist die Abweichung des Strahls im rechten Winkel zum Strahl nahe dem Brennpunkt

d = Ό'ΔΘ, wobei D die Entfernung der reflektierenden Stufe zum Brennpunkt ist. Auf diese Weise spreizt sich die Brenn- ^s linie nahe der Aufnahmelinie auf (Entfokussierung); das Ausmaß der Defokussierung hängt von der Entfernung der Brennlinie zum Stufenreflektor ab. Indem man die Platte bezüglich der einfallenden Strahlung neigt, eliminiert man nicht nur die Abschattung durch die Reflektorstufen, sondern reduziert auch vorteilhafterweise die mittlere Entfernungsänderung jeder Stufe »' von der Brennlinie. Man erhält also mit einer Neigung der Platte | bezüglich der einfallenden Strahlung eine bessere Fokussiereinstellung.

Die einzelnen reflektierenden ebenen Elemente sind von Stufen

bzw. Sprüngen getrennt, die, wie gezeigt, im wesentlichen rechtwinklig zur Grundebene liegen. Die reflektierende ebene Fläche ist unter einem Winkelet zu den XY-Koordinatensystemen geneigt, um einfallende Strahlung auf die Brennlinie zu reflektieren. Indem man die Grundebene bezüglich der Richtung des XY-Koordinatensystems neigt, geraten die Sprünge aus dem Weg sowohl der einfallenden als auch der reflektierten Strahlung, so daß keine einfallende oder reflektierte Strahlung auf die Sprünge trifft.

Die ebenen Reflektorflächen lassen sich entweder als Erstflächen- oder als Zweitflächenreflektoren ("first surface reflector," "second surface reflector") gestalten. Es muß jedoch eine zusätzliche Korrektur vorgenommen werden, um die Brechung an der

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transparenten ebenen Oberfläche der Zweitflächenanordnung zu kompensieren.

Im Fall eines Erstflächenreflektors erfordert die geometrische Bedingung, die eine Abschattung durch die Stufen durch eine Neigungsumkehr der ebenen reflektierenden Oberflächen verhindert, daß 0^<b>O oder -0<ct)<p mit α) =ο6-0.

Im Fall des Zweitflächenreflektors erfordert die geometrische Bedingung, die die Abschattung durch die Stufenabsätze mit einer Neigungsumkehr eliminiert, daß 0 ^⁰⁰L ^ ^O(3er -0 £ ft ^ 0 mitoC' = oo -0. Die Tatsache, daß immer größer als O ist, ergibt sich aus der Brechung an der transparenten Oberfläche dieser Ausführungsform.

Die Verwendung der Zweitflächenreflektoren erlaubt, die reflektierende Fläche gegen Witterungseinflüsse zu schützen, da die einzige offenliegende Oberfläche die ebene Kunststofffläche der Reflektorstruktur ist. Geeignete Wetterschutzflächen können auf die ebene Polymerisatoberfläche aufgebracht werden, um ein Verwittern und eine Beeinträchtigung dieser optischen Oberfläche zu verhindern.

Fig. 1 zeigt einen schematisierten Aufriß der vorliegenden Erfindung und definiert das Koordinatensystem, das zur Beschreibung der Geometrie der Erfindung dient;

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- 1ο -

Fig. 2 ist ein schematisierter Aufriß der Erfindung und beschreibt die Kontrolle des Fokussierfehlers in der Erfindung;

Fig. 3 ist ein schematisierter Aufriß der vorliegenden Erfindung mit einem Erstflächen-Stufenreflektor;

Fig. 4 ist ein schematisierter Aufriß der vorliegenden Erfindung mit einem Zweitflächen-Linearstufenreflektor;

Fig. 5 ist ein schematisierter Aufriß einer Ausführungsform der Erfindung und zeigt die Lagerung für die Stufenreflektoroptik;

ι Fig. 6 ist ein schematisierter Aufriß eines speziellen Bei-

spiels der vorliegenden Erfindung, in dem die geometrischen Parameter zur Diskussion des Kollektorwirkungsgrades definiert sind;

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der effektiven Apertur

und Plattenlänge als Funktion des halben Aufnahmewinkels.

In der in Fig, 1 gezeigten Anordnung nach der vorliegenden Erfindung entsteht jeder Stufenwinkel cc' als der Winkel zwischen der Grundebene 2o und der ebenen Reflektorfläche 21. Dieser Winkel ist dem Kippwinkel 0 zugewandt, der zwischen der Grundebene 2o und der X-Achse entsteht, die rechtwinklig zur einfallenden Sonnenstrahlung verläuft. Zur Diskussion der Richtung der ebenen Reflektorflächen ist es zweckmäßig, zwei Koordinatensysteme zu definieren. Im XY-System hat die ebene Reflektorfläche eine positive Steigung. Betrachtet man die Steigung der

ebenen Reflektorfläche 21 im X¹Y'-Koordinatensystem, kehrt sich die Steigung der Reflektorfläche bezüglich des XY-Koordinatensystems um.Dadurch kann jeder einfallende Lichtstrahl, der auf die reflektierende Oberfläche des ebenen Reflektorelements 21 trifft, ohne Abschattung durch die Stufensprünge auf die Brennlinie 2 3 gerichtet werden. Für eine gegebene AuffangaperturA ist der minimale Kippwinkel 0 derjenige Kippwinkel, der für alle ebenen Reflektorflächen im XY-System eine positive Steigung ergibt, während einfallendes Licht von jeder ebenen Reflektorfläche auf die Brennlinie bei 2 3 gerichtet wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt, werden die einfallenden Strahlen 24, 25, 26 immer zur Brennlinie reflektiert und die die Reflektorflächen trennenden Sprünge schatten die einfallende oder reflektierte Sonnenstrahlung nie ab.

Ein weiterer Vorteil des geneigten linearen Stufenreflektors, wie unter Bezug auf die Fig. 2 beschrieben ist, ergibt eine verbesserte Fokussiersteuerung der Sonnenlichtkonzentratoren. Der den ebenen Reflektorelementen 31, 32, 33 34 jeweils entsprechenden Winkel ist ^1., W₇Tt' qO33' oC34' oi/35" ⁰^⁰¹³⁶ Winkel sind so gewählt, daß einfallende Sonnenstrahlung auf eine Brennlinie 39 fokussiert wird, wenn die Platte unter dem minimalen Kippwinkel 0 geneigt ist. Abweichungen Δ06 dieses Stufenwinkels können für jedes Ä¹durch Ungenauigkeiten bei der Herstellung des

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Mutterstempels, Abweichungen von der Flachheit der Platte sowie Ausrichtfehler der Platte hervorgerufen werden. Diese Abweichungen bewirken, daß ein Strahl um θ von der Brennlinie fehlgerichtet wird. Das Ausmaß dieser Defokussierung läßt sich in guter Näherung zu d = D' θ angeben, wobei D die Entfernung zwischen der reflektierenden Fläche 3 3 und dem Brennpunkt 39 ist.

Die geneigte Anordnung nach der vorliegenden Erfindung minimiert die mittlere Variation der Entfernung D von jeder der ebenen Reflektorflächen zum Brennpunkt 39 über die Apertur der Stufenreflektorstruktur. Die entfokussierende Variation ist also über die Apertur der geneigten Linsenreflektorstruktur der vorliegenden Erfindung weniger schwerwiegend und man kann die Aufspreizung der Brennlinie besser unter Kontrolle halten, was einen Vorteil darstellt, wenn der Wirkungsgrad des linienförmigen Aufnahmeelements ("line receiver") in der Brennlinie 39 stark vom aufgenommenen Energiefluß abhängt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Erst- und eine Zweitflächenreflektorausführung nach der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 3 dargestellten ebenen reflektierenden Flächen - beispielsweise 4o - sind in ein Polymerisatmaterial eingeformt. Dieses Folienmaterial kann mit einem Kleber 42 auf eine flache Platte 43 geklebt werden. Ein geeigneter reflektierender Belag 44 ist auf die offenliegende Fläche der ebenen Reflektorstrukturen'aufge-

bracht. Die vollständige Reflektorstruktur ist unter dem Kippwinkel 0 von der Normalen zur Richtung der einfallenden Sonnenstrahlung geneigt.

Die Fig. 4 zeigt eine Zweitflächenreflektoranordnung nach der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind die ebenen Reflektorflächen - beispielsweise 5o - auf der Unterseite einer transparenten Polymerisatfolie oder -platte 51 ausgebildet und tragen einen geeigneten reflektierenden Belag 52, um eine reflektierende Fläche zu bilden. Die so gebildete reflektierende Plattenstruktur 53 ist mit einer geeigneten Einrichtung 54 auf einer flachen Tragplatte 55 befestigt. Der wesentliche Vorteil des in Fig. 4 gezeigten Zweitflächenreflektors ist/ daß der Umwelt eine glatte ebene Fläche 56 ausgesetzt ist, während der reflektierende Belag 53 sich gegen die Umwelt schützen läßt. Die glatte Fläche kann mit einem geeigneten verschleißfesten oder reflexionsunterdrückenden Belag versehen werden.

Die Fig. 5 zeigt eine geeignete Lagerung für die Reflektor-Konzentratoren nach der vorliegenden Erfindung. Eine starre Tragstruktur 6o ist vorgesehen, um die Reflektorplatten 61, 62 mit der linsenförmigen Aufnahmeeinrichtung 63 auszurichten. Obgleich die Reflektorelemente in der Zeichnung Erstflächenreflektoren sind, ist einzusehen, daß die gleiche starre Tragkonstruktiton auch für Zweitflächenreflektoren verwendet werden kann.

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Die Fig. 6 betrifft ein spezielles Beispiel für eine Erstflächen-Reflektorplatte. Das die Sonnenenergie aufnehmende
Element liegt in der Brennlinie des Sonnenkollektors, dieser
in einer Entfernung FD vom Scheitel der Plattenanordnung entfernt. Das Aufnahmeelement kann herkömmlich sein - beispielsweise Photozellen oder ein Wärme aufnehmendes Rohr. Der halbe Aufnahmewinkel am Aufnahmeelement wird vom Konstruktuer abhängig von der Art des Aufnahmeelements gewählt, auf das der Konstrukteur die einfallende Sonnenenergie bündeln will. Nachdem der halbe Aufnahmewinkel bestimmt ist, läßt sich der minimale Kippwinkel 0 der Platte, der zum Verschwinden der Abschattung durch die Stufen führt, aus der Beziehung 0=^/2 bestimmen.
Die erforderliche Plattenlänge PL kann dann aus der Beziehung PL =FD. sin//cos 0 errechnet werden; die effektive Apertur des gesamten Sonnenkollektors wird EA = PL. cos0. Für den beschriebenen speziellen Fall war FD = 1219 mm (48 in.), 0 = 3o°, oO = 6o° und EA = 1o56 mm (41,57 in.). Die folgende Tabelle gibt repräsentative Werte von X', &>' und oC an, wo Oi der Winkel der
ebenen Reflektorelemente im XY-System und X¹ der Ort jedes ebenen Reflektorelements entlang der Platte is^.

X¹	06	- 29,97
o,o5	o,o2	- 27,81
4,o5	2,18	- 24,89
9,o5	5,1o	- 21,73
14,o5	8,26	- 18,39
19,o5	11 ,60	- 14,96
24,o5	15 ,o3	- 11 ,53
29,o5	18,46	- 8,85
33,o5	21,14	- 5,66
38,o5	24,33	- 2,68
43,o5	27,31	- o,o2
47,95	29,97

Die flache Platte (0 = 0°) der gleichen äquivalenten Apertur und Brennweite hat infolge der Abschattung durch die Stufen einen berechneten Verlust von 9,2 % (quadratischer Mittelwert über alle reflektierenden Stufen). Die geneigte Platte ist daher etwa 9 % wirkungsvoller als die flache Platte.

Die Fig. 7 zeigt im Diagramm die Wirkung des halben Aufnahmewinkels auf die Plattenlänge und die wirksame Apertur des Sonnenkollektors mit einer Brennweite FD von 1219 mm (48 in.). Obgleich aus dem Diagramm ersichtlich ist, daß halbe Aufnahmewinkel zwischen 0° und 18o° ohne Abschattung theoretisch möglich sind, fällt die effektive Apertur des Sonnenkollektors nach diesen Werten fast auf null ab. Der in der Wertetabelle und in Fig. 6 dargestellte spezielle Fall ist im Diagramm markiert. Es ist aus dem Diagramm zu ersehen, daß, je größer der

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halbe Aufnahmewinkel, deßto größer die erforderliche Plattenlänge, um eine gegebene effektive Apertur zu erreichen. Ein halber Aufnahmewinkel von 9o° ist jedoch praktisch erreichbar; dies wäre mit einer nicht geneigten Platte nicht möglich.

Wie bereits erwähnt, kann man, um größere effektive Aperturen oder Aufnahmewinkel zu erreichen, mehrere aneinandergrenzende Platten einzeln kippen, wobei man die Konstruktionsprinzipien der vorliegenden Erfindung anwendet. Diese Anordnung eliminiert dann eine Abschattung durch die Reflektorstufen, bietet eine bessere Kontrolle über die Flachheit der Platten und erlaubt eine individuelle Einstellung der Kippwinkel der einzelnen Platten.

In einigen Anwendungsfällen mit sehr großer Apertur kann eine gewisse Abschattung für Reflektorstufen annehmbar sein. In diesen Fällen kann man die Platten in den Bereich der Abschattung hinein verlängern. Es ist jedoch einzusehen, daß das Ausmaß der Abschattung in diesem Verlängerungsbereich gering ist.

Claims

Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minnesota, V. Sf. A. Schutzansprüche

1. Geneigte lineare Stufenreflektorfläche zum Richten einfallender Sonnenstrahlung auf einen Brennpunkt, gekennzeichnet durch eine Vielzahl einander winklig zugeordneter ebener reflektierender Elemente, die durch Stufen bzw. Sprünge voneinander getrennt sind, wobei die ebenen reflektierenden Elemente bezüglich der Rieh tung der einfallenden Strahlung geneigt sind,· um die gesamte auf die Elemente treffende Strahlung auf einen Brennpunkt zu richten, und die Stufensprünge daran hindern, die auf den Brennpunkt gerichtete reflektierte Strahlung abzuschatten,

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2. Sonnenkollektor zum Konzentrieren und Richten der Sonnenstrahlung auf ein Aufnahmeelemente, das entlang einer Brennlinie angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine glatte Fläche, die eine ebene Grundfläche bildet, und eine gestaltete erste Fläche, die eine Gruppenanordnung reflektierender ebenen Elemente bildet, die durch Stufensprünge voneinander getrennt sind, wobei die Grundfläche unter einem Winkel 0 bezüglich der Normalen auf der einfallenden Strahlung geneigt ist und jedes der reflektierenden Elemente bezüglich der Grundfläche unter einem Winkel oC geneigt ist, um einfallende Strahlung zu der Brennlinie zu reflektieren, wobei die Größe 06⁽kleiner oder gleich null, aber größer als oder gleich -0 ist derart, daß die gesamte Abschattung durch die Stufensprünge eliminiert ist.

3. Sonnenkollektor zum Konzentrieren und Richten einfallender Sonnenstrahlung auf ein Aufnahmeelement, das entlang einer Brennlinie angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen Zweitflächen-Stufenreflektor mit einer eine ebene Grundfläche bildenden glatten transparenten Fläche und einer gestalteten Fläche, die eine Gruppenanordnung reflektierender ebenen Elemente bildet, die von Stufensprüngen voneinander getrennt sind, wobei die Grundfläche unter einem Winkel 0 bezüglich der Normalen auf der einfallenden Strahlung geneigt ist und jedes dex reflektierenden Elemente bezüglich der Grundfläche unter einem Winkel¹^¹ geneigt ist, um einfallende Strahlung auf die Brennlinie zu

fokussieren, wobei die Größe oO kleiner als null, aber größer als oder gleich -0 ist, so daß die gesamte Abschattung der Strahlung durch die Stufensprünge eliminiert ist.