DE9319928U1

DE9319928U1 - Sonnenkollektoren

Info

Publication number: DE9319928U1
Application number: DE9319928U
Authority: DE
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1993-12-24
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2003-12-25

Description

I I*

BESCHREIBUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Sorinenkollektoren enthaltend lineare, vorzugsweise extrudierte Fresnel-Linsen aus thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere aus PMMA.

Stand der Technik

Auf verschiedenen Anwendungsgebieten der technischen Optik kommt es häufig darauf an, das von einer Lichtquelle ausgehende Licht zu bündeln. Man verwendet dafür im allgemeinen geeignet dimensionierte optische Linsen. Um ein paralleles Lichtbündel zu erzeugen, sollte die Lichtquelle im Brennpunkt der Linse stehen. Je kleiner der Abstand zwischen Lichtquelle und Linse, desto mehr Licht wird gesammelt. Dies führt in der Praxis zu Linsen mit kurzer Brennweite und dementsprechend großer Dicke.

Von A. Fresnel, stammt die Erkenntnis, daß sich Linsenwirkung auch dann ergibt, wenn man anstelle der geschlossenen konvexen Oberfläche der Linse konzentrischringförmige "Stufen" mit vergleichbarer Oberflächenkrümmung setzt.

Bei den Fresnel-Linsen handelt es sich demnach um sogenannte Stufenlinsen. Man kann sie aus einer normalen Linse durch Unterteilung der Linse in Segmente und Parallelverschiebung einer Oberfläche jedes Segments entstanden denken (vgl. FIG. JL) .

Durch die Anwendung dieses Prinzips ist es möglich, eine Linse mit hoher Brechkraft (kleiner Brennweite) und geringer Dicke zu bauen. Fresnel-Linsen können als circulare und als lineare (Zylinder-)Linsen gebaut werden. Bekannte technische Anwendungen für Fresnel-Linsen sind z.B. bei Projektionsschirmen, Overheadprojektoren, Filter für Bühnenscheinwerfer, Rundumsichtlinsen für Rückscheiben von Fahrzeugen wie Lieferwagen oder Wohnmobilen, Linsen für Leuchtfeuer u.a.

Aufgabe und Lösung

Bei allen Anwendungen, bei denen bislang transparente Kunststoffe, sog. Kunststoff-Gläser, für Fresnel-Linsen zum Einsatz kamen - an erster Stelle wäre dabei Acrylglas (im wesentlichen Polymethylmethacrylat = PMMA) zu nennen handelt es sich um Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Auflösung und dementsprechend großen Fertigungsproblemen. (Becker-Braun, Kunststoff-Handbuch, Neuausgabe Bd. JL, Die Kunststoffe Hrsg. B. Carlowitz, S. 775 - 776, Carl Hanser 1990).

Es wurde gefunden, daß sich transparente Kunststoffplatten mit linearer Fresnel-Struktur, insbesondere Acrylglas-Platten hervorragend als lichtsammelnde Elemente in Sonnenkollektoren nutzen lassen. Die vorliegende Erfindung betrifft somit transparente Kunststoffplatten, vorzugsweise aus Acrylglas mit linearer Fresnel-Struktur .

Unter einer linearen Fresnel-Struktur wird eine Oberflächengestaltung verstanden, bei der die oben beschriebenen Fresnel-Zonen linear und parallel angeordnet sind. (FIG. 1).

Die vorliegende Erfindung kann hinsichtlich des Aufbaus der Sonnenkollektoren an bestehende Sonnenkollektoren-Systeme anschließen. Dabei dienen als Licht-Kollektor-Einheiten lineare Parabolspiegel aus bedampftem Glas (2) , in deren Brennlinie ein Rohr fixiert ist, das von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird. Die Erfindung betrifft somit Sonnenkollektoren enthaltend mindestens ein eine Wärmeträgerflüssigkeit enthaltendes Rohr (1) und ein das parallel einfallende Sonnenlicht sammelndes optisches Element, die einander derart zugeordnet sind, daß das Licht durch das lichtsammelnde optische Element, auf das, die Wärmeträgerflüssigkeit enthaltende, Rohr (1) gerichtet auftrifft, wobei das lichtsammelnde optische Element eine lineare Fresnel-Linse (3) aus transparentem Kunststoff, insbesondere aus Acrylglas darstellt. Zweckmäßigerweise ist das Rohr (1) so gestaltet, daß es möglichst stark absorbiert; Dieser Zweck wird beispielsweise durch eine matt schwarze Einfärbung des Materials erzeugt.

Das erfindungsgemäße Sonnenkollektorensystem arbeitet in der Weise, daß das parallel einfallende Sonnenlicht auf die plane Oberfläche der linearen Fresnel-Linse auftrifft, welche das Licht sammelt und auf das im physikalisch richtigen (experimentell leicht bestimmbaren) Abstand fixierte, die Wärmeträgerflässigkeit enthaltende Rohr (1) richtet und damit die Wärmeträgerflüssigkeit erwärmt. Die Weiterleitung bzw. Übertragung der Wärme geschieht in an sich bekannter Weise. Die erfindungsgemäßen Sonnenkollektoren sind in ihrem schematischen Aufbau in FIG. 2b wiedergegeben.

Anstelle eines linearen Parabolspiegels (2) wie im Stand der Technik, in dessen Brennlinie das parallel durch ein Rohr einfallende Licht fokussiert wird, steht erfindungsgemäß als lichtsammelndes Element die lineare Fresnel-Linse (3). In einer speziellen Ausgestaltung kann die lineare Fresnel-Linse (3) auch unter leichter Verspannung im Sonnenkollektorsystem fixiert sein, um den Einfluß der Wärmedehnung aufzufangen und somit ein Undefiniertes Beulen auszuschließen (FIG.3.) . In diesen Fällen muß der Einfluß der Krümmung bei der Festlegung der Fresnel-Struktur berücksichtigt werden. Vorzugsweise werden die erfindungsgemäß anzuwendenden linearen Fresnel-Linsen aus Acrylglas in grundsätzlich ähnlicher Weise wie auch andere strukturierte Platten unter Anwendung einer speziellen Prägewalze im Extrusionsverfahren hergestellt werden. Eine solche übliche Anordnung ist in FIG. 4. dargestellt. Die benötigte Prägewalze kann beispielsweise mittels einer CNC-Drehmaschine hergestellt werden

Vorteilhafte Wirkungen

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Sonnenkollektoren gehen in erster Linie auf die Verwendung der linearen Fresnel-Linsen (3) beispielsweise aus Acrylglas zurück. Die Vorteile derartiger linearer Fresnel-Linsen sind u.a. :

Die Herstellungmöglichkeit per

Extrusionsverfahren und damit der niedrige Preis - das geringe Gewicht

die einfache, ggfs. automatische Reinigung.

BEISPIEL
Ausführungsbeispiel

Auf einer Extrusionsanlage zur Herstellung von massiven Platten mit geglätteter Oberfläche, bestehend aus Extruder, Breitschlitzdüse, Glättwerk und Abzug (siehe FIG. 4.) wird eine lineare Fresnel-Linse aus PMMA in einer Breite von 400 mm extrudiert. Die Walzen des verwendeten Glättwerks sind hintereinander angeordnet, die Prägewalze zur Erzeugung der Fresnel-Struktur sitzt in der Mitte. Die Dicke der hergestellten Platte beträgt 6 mm. Die Stufenbreite der Fresnel-Linse beträgt 4 mm. Bei einer Brennweite von 1000 mm wird eine Breite der Brennlinie von 15 mm erreicht (bei Durchstrahlung der Platte mit Sonnenlicht).

Das Sonnenlicht wird damit um den Faktor 26,7 konzentriert. Bei einer eingestrahlten Leistung von 1000 W/m^ kann auf ein Rohr mit 15 mm Durchmesser eine Leistung von 400 W/m eingestrahlt werden.

Legende der Abbildungen:

FIG. 1 zeigt die aus einer normalen Linse durch Unterteilung der Linse in Segmente und Parallelverschiebung einer Oberfläche jedes Segments hervorgegangene Fresnellinse. (4) bezeichnet einen einfallenden Lichtstrahl.

FIG. 2. a) stellt ein Sonnenkollektorensystem des Standes der Technik dar. Als Licht-Kollektor-Einheiten dienen lineare Parabolspiegel aus bedampftem Glas (2) in deren Brennlinie ein Rohr (1) fixiert ist, das von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird.

FIG. 2. b) stellt den erfindungsgemäßen Sonnenkollektor dar, enthaltend ein die Wärmeträgerflüssigkeit führendes Rohr (1) und als lichtsammelndes optisches Element eine lineare Fresnel-Linse (3) aus transparentem Kunststoff.

FIG. 3. zeigt eine spezielle Ausgestalung der Erfindung, wobei die lineare Fresnel-Linse (3) unter leichter Verspannung im Sonnenkollektorensystem verspannt ist. (5) bedeutet die Einspannung.

FIG. 4. stellt die Herstellung linearer Fresnel-Linsen (3) im Extrusionsverfahren dar. (6) bezeichnet den Extruder, (7) die Extrusionsdüse, (8) und (8') die glatten Walzen, (9) die strukturierte Walze, das Extrudat mit linearer Fresnelstruktur (10) auf der Oberseite.

Claims

SCHUTZANSPRÜCHE

1. Sonnenkollektoren enthaltend mindestens ein eine Wärmeträgerflassigkeit enthaltendes Rohr (1) und ein das parallel einfallende Sonnenlicht sammelndes optisches Element, die einander derart zugeordent sind, daß das Licht durch das lichtsammelnde optische Element auf das die Wärmeträgerflüssigkeit enthaltende Rohr (1) gerichtet auftrifft,

dadurch gekennzeichnet,

daß das lichtsammelnde optische Element eine lineare Fresnel-Linse (3) aus transparentem Kunststoff darstellt.

2. Sonnenkollektoren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Fresnel-Linse (3) aus Acrylglas hergestellt ist.

3. Sonnenkollektoren gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Fresnel-Linse aus Acrylglas extrudiert ist.

4. Sonnenkollektoren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Fresnel-Linse kreisförmig eingespannt ist und daß diese Verspannung bei der Festlegung der Oberflächengeometrie berücksichtigt wird.