EP2630416A1

EP2630416A1 - Solarkollektor mit einer konzentratoranordnung gebildet aus mehreren abschnitten

Info

Publication number: EP2630416A1
Application number: EP11788015.3A
Authority: EP
Inventors: Andrea Pedretti
Original assignee: Airlight Energy IP SA
Current assignee: Airlight Energy IP SA
Priority date: 2010-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-08-28
Also published as: WO2012055055A1; JP2013545958A; CN103201568A; US20140026944A1; KR20130128406A; US20130247961A1; AU2011320097A1; CH704005A2; CL2013001114A1; TN2013000163A1; MX2013004580A; MA34665B1; WO2012055056A2; KR20140020827A; IL225919A0; CH703995A2; IL225917A0; EP2630417A2; AU2011320098A1; MX2013004582A

Abstract

Durch die weiteren Konzentratoren einer zweiten Konzentratoranordnung in einem als Rinnenkonzentrator ausgebildeten Linearkonzentrator wird die konzentrierte Strahlung in Brennpunktbereiche konzentriert, mit der Folge, dass höhere Konzentration der Strahlung und damit höhere Temperaturen im Absorberrohr erreichbar sind. Um die durch die höheren Temperaturen exponentiell steigenden Wärmeverluste im Absorberrohr zu senken, wird in Synergie eine Absorberanordnung mit Reihen von einzelnen thermischen Öffnungen bereit gestellt, wobei diese Reihen neben einander liegen.

Description

Solarkollektor mit einer Konzentratoranordnung gebildet aus mehreren Abschnitten

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Strahlungskollektoren bzw. Konzentratoren der genannten Art finden u.a. in Sonnenkraftwerken Anwendung.

Bis heute ist es wegen der noch nicht überwundenen Nachteile der Fotovoltaik nicht ge- lungen, Solarstrom in Anwendung dieser Technologie in annähernd kostendeckender

Art zu erzeugen. Solarthermische Kraftwerke hingegen produzieren schon seit einiger Zeit Strom im industriellen Massstab zu Preisen, die - gegenüber der Fotovoltaik - nahe an den heute üblichen kommerziellen Preisen für in herkömmlicher Art erzeugten Strom liegen.

In Solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne durch Kollektoren mit Hilfe des Konzentrators gespiegelt und gezielt auf einen Ort fokussiert, in welchem dadurch hohe Temperaturen entstehen. Die konzentrierte Wärme kann abgeführt und zum Betrieb von thermischen Kraftmaschinen wie Turbinen verwendet werden, die wiederum die Strom erzeugenden Generatoren antreiben.

Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish- Sterling-Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme. Die Dish-Sterling-Systeme als kleine Einheiten im Bereich von bis zu 50 kW pro Modul haben sich nicht generell durchgesetzt.

Solarturmkraftwerksysteme besitzen einen zentralen, erhöht (auf dem "Turm") montierten Absorber für das durch hunderte bis tausende von einzelnen Spiegeln mit zu ihm ge- spiegelte Sonnenlicht, womit die Strahlungsenergie der Sonne über die vielen Spiegel bzw. Konzentratoren im Absorber konzentriert und so Temperaturen bis zu 1300° C erreicht werden sollen, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Ma- schinen (in der Regel ein Dampf- oder Fluidturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung) günstig ist. Die Anlage "Solar two" in Kalifornien besitzt eine Leistung von mehreren MW. Die Anlage PS20 in Spanien besitzt eine Leistung von 20 MW. Solarturmkraftwerke haben (trotz der vorteilhaft erreichbaren hohen Temperaturen) bis heute ebenfalls kei- ne grössere Verbreitung gefunden.

Parabolrinnenkraftwerke jedoch sind verbreitet und besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Konzentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen. Diese Linienkonzentratoren besit- zen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m. In der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr für die konzentrierte Wärme (bis gegen 500°C), das die Wärme zum Kraftwerk transportiert. Als Transportmedium kommt z.Bsp. Thermoöl, geschmolzene Salze oder überhitzter Wasserdampf in Frage. Konventionelle Absorberrohre werden mit aufwendiger und teuerer Konstruktion hergestellt, um die Wärmeverluste soweit wie möglich zu minimieren. Da das die Wärme transportierende Medium im Rohrinneren zirkuliert, erwärmt die durch den Konzentra- tor konzentrierte Sonnenstrahlung zuerst das Rohr, und dieses dann das Medium, mit der Folge, dass das notwendigerweise gegen 500°C heisse Absorberrohr seiner Tempe- ratur entsprechend Wärme abstrahlt. Die Abstrahlung von Wärme über das Leitungsnetz für das Wärme transportierende Medium kann 100 W/m erreichen, die Leitungslänge in einer Grossanlage bis 100 km, so dass die Wärmeverluste über das Leitungsnetz für den Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks von erheblicher Bedeutung sind, ebenso der auf die Absorberrohre entfallende Anteil an Wärmeverlusten.

Entsprechend werden die Absorberleitungen zunehmend aufwendig gebaut, um diese Energieverluste zu vermeiden. So sind weit verbreitete konventionelle Absorberleitungen als ein von Glas umhülltes Metallrohr ausgebildet, wobei zwischen Glas und Metallrohr ein Vakuum herrscht. Das Metallrohr führt in seinem Inneren das Wärme transpor- tierende Medium und ist an seiner Aussenfläche mit einer Beschichtung versehen, die eingestrahltes Licht im sichtbaren Bereich verbessert absorbiert, aber eine tiefe Abstrah- lungsrate für Wellenlängen im Infrarotbereich besitzt. Das umhüllende Glasrohr schützt das Metallrohr von der Kühlung durch Wind und wirkt als zusätzliche Barriere für Wär- meabstrahlung. Nachteilig ist dabei, dass die umhüllende Glaswand einfallende konzentrierte Sonnenstrahlung teilweise ebenfalls reflektiert oder auch absorbiert, was dazu führt, dass auf das Glas eine die Reflexion reduzierende Schicht aufgebracht wird.

Um den aufwendigen Reinigungsaufwand für solche Absorberleitungen zu senken, aber auch um das Glas vor mechanischen Beschädigungen zu schützen, kann die Absorberleitung zusätzlich mit eine sie umgebenden (nicht oder wenig isolierenden) mechanischen Schutzrohr versehen werden, das zwar mit einer Öffnung für die einfallende Sonnen- Strahlung versehen werden muss, die Absorberleitung aber sonst recht zuverlässig schützt.

Solche Konstruktionen sind aufwendig und entsprechend teuer, sowohl in der Herstellung, als auch im Unterhalt.

Die 9 SEGS-Parabolrinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW. Das 2007 ans Netz gegangene Kraftwerk "Nevada Solar One" besitzt Rinnenkollektoren mit 182'400 gekrümmten Spiegeln, die auf einer Fläche von 140 Hektar angeordnet sind und produziert 65 MW. Andasol 3 in Spanien ist seit Sep- tember 2009 im Bau, soll in 2011 den Betrieb aufnehmen, so dass die Anlagen Andasol 1 bis 3 eine Höchstleistung von 50 MW aufweisen werden.

Für die Gesamtanlage (Andasol 1 bis 3) wird ein Spitzenwirkungsgrad von ca. 20% sowie ein Wirkungsgrad im Jahresmittel von rund 15% erwartet.

Wie erwähnt ist ein wesentlicher Parameter für den Wirkungsgrad eines Solarkraftwerks die Temperatur des durch die Kollektoren erhitzten Transportmediums, über welches die gewonnene Wärme vom Kollektor wegtransportiert und für die Umwandlung in beispielsweise Strom genutzt wird: mit höherer Temperatur lässt sich ein höherer Wir- kungsgrad bei der Umwandlung erzielen. Die im des Transportmedium realisierbare

Temperatur hängt wiederum von der Konzentration der reflektierten Sonnenstrahlung durch den Konzentrator ab. Eine Konzentration von 50 bedeutet, dass im Brennbereich des Konzentrators eine Energiedichte pro m² erzielt wird, die der 50 fachen der von der Sonne auf einen m² der Erdoberfläche eingestrahlten Energie entspricht.

Die theoretisch maximal mögliche Konzentration hängt von der Geometrie Erde - Son- ne, d.h. vom Öffnungswinkel der von der Erde aus beobachteten Sonnenscheibe ab. Aus diesem Öffnungswinkel von 0,27° folgt, dass der theoretisch maximal mögliche Konzentrationsfaktor für Rinnenkollektoren bei 213 liegt.

Selbst mit sehr aufwändig hergestellten, und damit für den industriellen Einsatz (zu) teu- ren Spiegeln die im Querschnitt einer Parabel gut angenähert sind und damit einen

Brennlinienbereich mit kleinstem Durchmesser erzeugen, ist es heute nicht möglich, diese maximale Konzentration von 213 auch nur annähernd zu erreichen. Eine zuverlässig erzielbare Konzentration von ca. 50 bis 60 ist jedoch realistisch und erlaubt bereits die oben genannten Temperaturen von gegen 500°C im Absorberrohr eines Parabolrin- nenkraftwerks.

Um die Parabelform eines Rinnenkollektors bei vertretbaren Kosten möglichst gut anzunähern, hat die Anmelderin in WO 2010 / 037 243 einen Rinnenkollektor vorgeschlagen, der eine Druckzelle mit einem flexiblen, in der Druckzelle aufgespannten Konzentrator aufweist. Dabei ist der Konzentrator in verschiedenen Bereichen unterschiedlich gekrümmt und kommt so der gewünschten Parabelform recht nahe. Dies ermöglicht zwar, bei vertretbaren Kosten für den Konzentrator eine Temperatur von gegen 500°C im Absorberrohr zu erreichen, nicht aber eine noch einmal gesteigerte Prozesstemperatur im Absorberrohr.

Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rinnenkollektor für die Produktion von Wärme im auch industriellen Massstab bereitzustellen, der einen höheren Wirkungsgrad besitzt und auch erlaubt, noch höhere Temperaturen im Transportmedium zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sonnenkollektor mit den Merkmalen von Anspruch 1. Dadurch, dass durch die zweite Konzentratoranordnung die reflektierte Sonnenstrahlung nicht mehr in einen Brennlinienbereich, sondern in mindestens einen Brennpunktbereich reflektiert wird, ergibt sich eine Konzentration im eindimensionalen Rinnenkon- zentrator, die zweidimensional ist, nämlich eine Konzentration über die Länge des Kollektors in eine Brennlinie und dann über dessen Breite in mindestens einen Brennpunktbereich. Dadurch erhöht sich die theoretisch mögliche maximale Konzentration auf über 40Ό00. Natürlich kann auch hier diese maximal mögliche Konzentration nicht annähernd erreicht werden. Eine geringe Realisierung dieses enormen Potentials er- laubt aber, die Temperaturen im Transportmedium der gestellten Aufgabe gemäss zu steigern und so den Wirkungsgrad des Kraftwerks (oder auch einer kleinsten Wärme erzeugenden Einheit) zu verbessern.

Dadurch, dass der mindestens eine Konzentrator der zweiten Konzentratoranordnung laufend gegenüber dem aktuellen, ersten Strahlungspfad ausgerichtet wird, können Verluste in der zweiten Konzentratoranordnung auf Grund von beispielsweise der Tageszeit entsprechend schräg einfallende Sonnenstrahlung vermieden und ein jederzeit hoher Wirkungsgrad der Anordnung sicher gestellt werden. Dadurch, dass mehrere Reihen von weiteren Konzentratoren und mehrere neben einander liegende Reihen von thermischen Öffnungen an der Absorberanordnung vorgesehen sind (im Gegensatz zu beispielsweise einer einzigen Reihe mit derselben Anzahl von thermischen Öffnungen), ergibt sich eine verbesserte Leistungsaufnahme bzw. ein verbesserter Wirkungsgrad der gesamten Anordnung,

Weiter bleiben die Brennpunktbereiche der weiteren Konzentratoren der zweiten Konzentratoranordnung stationär und damit an einem konstanten Ort auf der Absorberandordnung. Dies wiederum erlaubt, trotz wechselnd einfallender Sonnenstrahlung die thermische Öffnung des Absorberrohrs auf den Querschnitt des eintretenden Strah- lungspfads zu reduzieren, mit der Folge, dass die relevanten Wärmeverluste des Absorberrohrs sinken und sich der Wirkungsgrad des Solarkraftwerks erhöht. Die vorliegende Erfindung erlaubt damit über die gestellte Aufgabe hinaus eine Absorberanordnung bzw. ein Absorberrohr zu verwenden, bei dem die Fläche der thermischen Öffnung in einzelne, kleine Öffnungen unterteilt und so auf eine wesentlich verkleinerte Gesamtfläche reduziert ist. Damit sind auch die Wärmeverluste des entspre- chenden Absorberrohrs signifikant reduziert.

Dadurch ergibt sich eine Synergie zu der gemäss der vorliegenden Erfindung in Brennpunktbereiche konzentrierten Strahlung: einerseits wird die mögliche Temperatur im Absorberrohr erhöht, und andererseits werden die Wärmeverluste aus dem Absorber- rohr verringert, was hier besonders ins Gewicht fällt, da die Wärmeverluste hauptsächlich durch Wärmeabstrahiung erfolgen, welche mit der vierten Potenz der Temperatur zunimmt. Dann - last but not least - wird der Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Kollektors weiter gesteigert durch das Layout der Anordnung, das neben einander verlaufende Reihen von Brennpunktbereichen mit ebenfalls neben einander verlaufenden Reihen von zugeordneten thermischen Öffnungen in der Absorberanordnung bzw. im

Absorberrohr vorsieht, welches Layout eine erhöhte Leistungsaufnahme der Anordnung bewirkt.

Dadurch, dass eine Anzahl von einander beabstandeter thermischen Öffnungen vorge- sehen sind, Iässt sich eine grössere Fläche des Absorberrohrs isolieren, mit der Folge, dass im Betrieb dessen Wärmeabstrahiung sinkt. Da die Wärmeabstrahiung mit der vierten Potenz der Temperatur wächst, ist dies im Fall des erfindungsgemässen Sonnenkollektors zur Erzeugung höherer Temperaturen besonders vorteilhaft. Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind anhand der Figuren näher beschrieben.

Es zeigt: Fig. 1 schematisch einen konventionellen Rinnenkollektor, wie er in Solarkraftwerken

Verwendung findet, Fig. 2a schematisch den Aufbau eines Rinnenkollektor gemäss der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2b einen Querschnitt durch den Rinnenkollektor von Figur 2a,

Fig. 2c einen Längsschnitt durch den Rinnenkollektor von Fig. 2a,

Fig. 3 schematisch die Richtung der über die Tageszeit einfallenden Sonnenstrahlung,

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5a eine besonders bevorzugte Modifikation der Ausführung von Figur 4 in einer Längsansicht,

Fig. 5b die Ausführungsform von Figur 5a in einer Ansicht im Querschnitt,

Fig. 6a eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6b eine Ansicht im Querschnitt der Ausführungsform von Figur 6a,

Fig. 7a eine erste Ausführungsform des optischen Elements der weiteren Konzentrato- ren,

Fig. 7b das optische Element von Fig. 7a im Querschnitt, wobei die Geometrie der durch das Element hindurchtretenden Strahlung dargestellt ist,

Fig. 8a eine zweite Ausführungsform des optischen Elements der weiteren Konzentrato ren,

Fig. 8b das optische Element von Fig. 8a im Querschnitt , ebenfalls mit der Geometrie der hindurchtretenden Strahlung, Figur 8c eine dritte Ausführungsform des optischen Elements der weiteren Konzentrato- ren,

Fig. 9 einen Vergleich der Leistungsaufnahme einer konventionellen Anordnung mit der erfindungsgemässen Anordnung, die mehrere Reihen von neben einander liegenden thermischen Öffnungen aufweist.

Fig. 10a einen Querschnitt durch eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 10b eine Detailansicht der Ausführungsform von Figur 10a

Figur 1 zeigt einen Rinnenkollektor 1 konventioneller Art mit einer Druckzelle 2, welche die Gestalt eines Kissens aufweist und durch eine obere, flexible Membran 3 und eine in der Figur verdeckte, untere flexible Membran 4 gebildet wird.

Die Membran 3 ist für Sonnenstrahlen 5 durchlässig, die im Inneren der Druckzelle 2 auf eine Konzentrator-Membran (Konzentrator 10, Figur 2a) fallen und durch diese als Strahlen 6 reflektiert werden, hin zu einem Absorberrohr 7, in dem ein Wärme transportierendes Medium zirkuliert, das die durch den Kollektor konzentrierte Wärme abführt. Das Absorberrohr 7 wird durch Stützen 8 im Brennlinienbereich der Konzentrator-

Membran (Konzentrator 10, Figur 2a) gehalten.

Die Druckzelle 2 ist in einem Rahmen 9 aufgespannt, der wiederum in bekannter Art dem täglichen Sonnenstand entsprechend verschwenkbar auf einem Gestell gelagert ist.

Solche Sonnenkollektoren sind beispielsweise in der WO 2010/037243 und der WO 2008/037108 beschrieben. Diese Dokumente werden durch Verweis ausdrücklich in die vorliegende Beschreibung einbezogen. Obschon die vorliegende Erfindung bevorzugt in einem als Rinnenkollektor ausgebildeten Sonnenkollektor dieser Art, d.h. mit einer Druckzelle und einer in der Druckzelle aufgespannten Konzentrator-Membran Anwendung findet, ist sie in keiner Weise darauf beschränkt, sondern beispielsweise ebenso in Rinnenkollektoren anwendbar, deren Konzentratoren als nicht flexible Spiegel ausgebildet sind. Kollektoren mit nicht flexiblen Spiegeln werden beispielsweise in den oben erwähnten Kraftwerken eingesetzt. In den nachstehend beschriebenen Figuren sind jeweils die für das Verständnis der Erfindung nicht relevanten Teile des Rinnenkollektors weggelassen, wobei hier noch einmal erwähnt sei, dass solche weggelassenen Teile entsprechend des oben beschriebenen Stands der Technik (Kollektoren mit Druckzelle oder solche mit nicht flexiblen Spiegeln) ausgebildet sind und vom Fachmann für den konkreten Anwendungsfall leicht be- stimmt werden können.

Figur 2a zeigt eine mögliche Ausführungsform der weiteren Konzentratoren gemäss der Erfindung. Ein grundsätzlich wie der Kollektor 1 von Figur 1 ausgebildeter Kollektor 10 weist einen Konzentrator 11 und ein an Stützen 8 gelagertes Absorberrohr 12 auf. Son- nenstrahlen 5 fallen auf den Konzentrator 11 und werden von diesem als Strahlen 6 reflektiert. Durch die konkrete Ausbildung des Konzentrators 11 ergibt sich ein erster Strahlungspfad für reflektierte Strahlung, der durch die Strahlen 6 repräsentiert ist.

Der Konzentrator 11 ist, da nur in einer Richtung gekrümmt, ein Linearkonzentrator, mit dem Vorteil, dass er gegenüber den in zwei Richtungen gekrümmten Parabol-

Konzentratoren einfacher und zudem mit grosser Fläche hergestellt werden kann, ohne dass sich für die Rahmenstruktur und die laufend über Tag notwendige Ausrichtung dem Sonnenstand entsprechend prohibitive konstruktive Randbedingungen ergeben. Für die Orientierung in der Figur zeigt der Pfeil 16 die Längsrichtung, der Pfeil 17 die

Querrichtung an. Entsprechend ist der Konzentrator 11 in Querrichtung 17 gekrümmt, und in Längsrichtung 16 nicht.

Der Strahlungspfad des Konzentrators 11 weist einen Brennlinienbereich auf, notwendi- gerweise, da einerseits auf Grund des Öffnungswinkels der Sonne deren Strahlung 5 nicht parallel einfällt, die Konzentration in eine geometrisch genaue Brennlinie damit gar nicht möglich ist und zudem, weil eine genaue parabelförmige Krümmung des Kon- zentrators für eine theoretisch soweit wie möglich angenäherte Brennlinie mit vernünftigem Kostenaufwand nicht machbar ist.

Der Konzentrator 11 ist Bestandteil einer ersten Konzentratoranordnung des Kollektors 10, die hier gebildet ist aus der (wie oben erwähnt zur Entlastung der Figur weggelassenen) Druckzelle, den Organen für Aufrechterhaltung und Steuerung des Drucks und dem Rahmen, in dem der Konzentrator 11 aufgespannt ist. Wie ebenfalls erwähnt, sind die weggelassenen Elemente dem Fachmann bekannt. In der Figur plattenförmig ausgebildete, für konzentrierte Strahlung transparente optische Elemente 20 sind im ersten Strahlungspfad des Konzentrators 11 (und damit im Strahlungspfad der ersten Konzentratoranordnung) angeordnet, so dass der Strahlungspfad durch diese hindurch verläuft. Diese optischen Elemente 20 brechen die auf sie einfallende (durch den Konzentrator 11 reflektierte) Strahlung 6 derart, dass die Strahlung 6 nach den optischen Elementen 20 als Strahlung 15 in einen Brennpunktbereich konzentriert wird. Mit anderen Worten weist der durch die Strahlung 15 repräsentierte zweite Strahlungspfad jedes der optischen Elemente 20 einen Brennpunktbereich 21 auf. In der Figur sind eine der Länge des Sonnenkollektors entsprechende Anzahl optischer Elemente 20 dargestellt und deren Brennpunktbereiche beispielhaft bei zwei opti- sehen Elementen 20 eingezeichnet.

Die optischen Elemente 20 sind Bestandteil einer zweiten Konzentratoranordnung, die im ersten Strahlungspfad vor dem Brennlinienbereich angeordnet ist und bilden weitere Konzentratoren in der zweiten Konzentratoranordnung. Zur zweiten Konzentratoran- Ordnung gehören hier beispielsweise noch Träger 22, die am Absorberrohr 12 festgelegt sind und an denen die optischen Elemente 20 in Position gehalten werden.

Die hier als Absorberrohr 12 ausgebildete Absorberanordnung befindet sich am Ort der Brennpunktbereiche 21 und besitzt eine Anzahl, thermischer Öffnungen 23 für den Durchtritt der konzentrierten Strahlung 15 in das Innere des Absorberrohrs 12. Eine thermische Öffnung erlaubt den Wärmedurchgang der konzentrierten Strahlung, ist aber nicht notwendigerweise als mechanische Öffnung ausgebildet. Beispielsweise kann eine thermische Öffnung gegenüber einer nicht transparenten Isolation als eventuell zur Dämpfung der Rückstrahlung beschichtete Glasscheibe ausgebildet sein. Dennoch ist es notwendigerweise so, dass am Ort der thermischen Öffnung letztlich keine gute Isolation erzielbar ist, also die entsprechenden relevanten Wärmeverluste hingenommen werden müssen.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass in einer thermischen Öffnung der Absorberanordnung photovoltaische Zellen angeordnet sein können, die direkt elektrischen Strom erzeugen, so dass dann ein Wärme transportierendes Medium (Beschreibung zu Figur 1) entfällt. Der Einfachheit halber, aber nicht einschränkend, beschränkt sich die restliche

Beschreibung auf eine Absorberanordnung, in welcher Wärme transportierendes Medium zirkuliert.

Vorzugsweise wird vorliegend ein aussenisoliertes Absorberrohr verwendet, d.h. ein Ab- sorberrohr mit einer geschlossen rundum an seiner Aussenseite angeordneten nicht transparenten Wärmeisolation, deren thermische Öffnungen als physische Öffnungen in dieser Aussenisolation ausgebildet sind (aber natürlich beispielsweise durch eine Glasscheibe verschlossen sein können). Figur 2b zeigt einen Schnitt in Querrichtung (Pfeil 17) durch den Kollektor 10 von Figur

2a mit einer Ansicht des in diese Querschnittsebene projizieren Stahlungsgangs bzw. ersten und zweiten Strahlungspfads der beiden Konzentratoranordnungen. Wie oben erwähnt, sind für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Elemente des Rinnenkollektors 10 dem Fachmann bekannt und zur Entlastung der Figur weggelassen.

Insbesondere ist ersichtlich, dass der erste Strahlungspfad der ersten Konzentratoran- ordnung (Konzentrator 11), hier dargestellt durch die beiden reflektierten Strahlen 6,6', gegen einen Brennlinienbereich 21 am Ort des Absorberrohrs 12 konvergiert. Die Strahlung 6 tritt durch das optische Element 20 hindurch, wobei dessen zweiter Strahlungs- pfad, hier dargestellt durch die beiden Strahlen 15,15', gegen den Brennpunktbereich 21 konvergiert. Die Konzentration der ersten Konzentrationsanordnung erfolgt in Querrichtung (Pfeil 17).

Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform liegen die Brennpunktbereiche 21 der optischen Elemente 20 im Brennlinienbereich des Konzentrators 11, d.h. im Brennlinienbereich der ersten Konzentratoranordnung. Daraus ergibt sich für die in der Figur 2b dargestellte Sicht auf die Querschnittsebene (nicht aber in Längsrichtung, siehe nachstehend zu Figur 2c), dass die reflektierte Strahlung 6 durch das optische Element 20 nicht gebrochen wird, d.h. im Wesentlichen in einer Geraden liegen. Im Wesentlichen deshalb, weil beim Durchtritt eines Strahls 6,6' durch das optische Element 20 hindurch ein leichter Versatz des Strahlungspfads 15,15" gegenüber dem Pfad 6,6' auftreten kann, der aber hier nicht relevant ist.

Zur Entlastung der Figur sind wiederum nicht wesentlichen Elemente, hier auch die Trä- ger 22 (Figur 2a) für die optischen Elemente 20 weggelassen.

Figur 2c zeigt einen Schnitt durch den Kollektors 10 von Figur 2a in Längsrichtung (Pfeil 16), mit einer Ansicht des in diese Längsebene projizieren Strahlungsgangs bzw. ersten und zweiten Strahlungspfads der ersten und der zweiten Konzentratoranordnung. Dar- gestellt ist jedoch nur ein Teil des Längsschnitts über die Länge eines der optischen Elemente 20.

Mit einer angenommenen Blickrichtung von rechts nach links (Figur 2b) zeigt Figur 2c den Blick auf die linke Hälfte des Konzentrators 11 (Figur 2b).

Insbesondere ist ersichtlich, dass der erste Strahlungspfad der ersten Konzentratoranordnung (Konzentrator 11), hier dargestellt durch die reflektierten Strahlen 6, 6', gegen einen Brennlinienbereich am Ort des Absorberrohrs 23 läuft. Die Strahlung 6 bis 6' tritt durch die optischen Element 20 hindurch, wird durch diese in Längsrichtung 16 gebro- chen, wobei der zweite Strahlungspfad der optischen Elemente 20 (dargestellt durch die

Strahlen 15,15') gegen jeweils einen Brennpunktbereich 21 konvergiert. Die Konzentration der zweiten Konzentrationsanordnung erfolgt in Längsrichtung (Pfeil 16).

Es ergibt sich, dass die zweite Konzentratoranordnung mindestens ein optisches Ele- ment 20 (d.h. mindestens einen weiteren Konzentrator) mit einem zweiten Strahlungspfad aufweist, wobei durch das mindestens eine optische Element 20 mindestens ein Brennpunktbereich 21 erzeugt wird. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die erfindungs- gemässe Anordnung für kleine oder kleinste Anwendungen mit nur einem optischen Element 20 oder für industrielle Anwendung in Kollektoren mit grössten Abmessungen mit Dutzenden oder Hunderten von optischen Elementen 20 ausgeführt werden kann.

Aus den Figuren 2b und 2c ergibt sich weiter, dass das optische Element 20 bei der dargestellten Ausführungsform als Linearkonzentrator ausgebildet ist, dessen Konzentrationsrichtung quer oder senkrecht zur Konzentrationsrichtung des Linearkonzentrators der ersten Konzentratoranordnung verläuft.

Damit ergibt sich weiter, dass die optisch wirksamen Oberflächen (an denen die Brechung der Lichtstrahlen erzeugt wird) der optischen Elemente 20 gegenüber dem ersten Stahlungspfad der ersten Konzentratoranordnung (hier des Konzentrators 11) derart ausgerichtet sind, dass der Pfad jedes einzelnen Strahls, projiziert auf eine zum Brennlinienbereich senkrecht stehende Ebene (dargestellt in Figur 2b) eine Gerade ist, aber in einer im Brennlinienbreich liegenden Ebene (dargestellt in Figur 2c) zum Brennpunktbereich 21 hin gebrochen wird. Bevorzugt weisen die optischen Elemente eine Fresnelstruktur auf, was erlaubt, diese mit einem wie in den Figuren 2a bis 2c dargestellten plattenförmigen Körper auszubilden. Beispielsweise kann die Unterseite des plattenförmigen Körpers eben und die Oberseite strukturiert, mit parallelen Fresnel-Stufen ausgebildet werden, wobei die Stufen in Querrichtung 17 parallel zu einander verlaufen, so dass der Brennpunktbereich oberhalb der Mitte des plattenförmigen Körpers liegt. Die Auslegung solch einer Fresnellinse 30 kann durch den Fachmann im konkreten Fall leicht vorgenommen werden. Alternativ kann jedes optische Element 20 auch als Sammellinse ausgebildet sein, die sich quer unter dem Absorberrohr 12 hindurch erstreckt und die Brechung gemäss den Figuren 2b und 2c erzeugt. Auf solche Weise ausgebildete optische Elemente 20 können beispielsweise durch Glessen hergestellt werden, in dem eine Metallform hergestellt und ein geeignetes transparentes Kunststoffmaterial (oder auch Glas) vergossen wird.

Figur 3 zeigt den Kollektor 10 und die Bahn 30 der Sonne vom Morgen bis zum Abend. Dargestellt sind Sonnenstrahlen 31, 32 und 33, am selben Ort auf den Konzentrator 11 einfallen und durch diesen im ersten Strahlungspfad je nach Tageszeit als Strahlen 3 ,32' und 33' reflektiert werden. Mit anderen Worten fällt die Sonnenstrahlung über die Tageszeit in einem Betriebsbereich wechselnd auf den Konzentrator 11, d.h. die erste Konzentratorandordnung, so dass dessen erster Strahlungspfad mit der Tageszeit lau- fend ändert, wobei der aktuelle erste Strahlungspfad am Morgen durch den Strahl 31', am Mittag durch den Strahl 32' und am Abend durch den Strahl 33' repräsentiert wird. Entsprechend wird der Brennlinienbereich des Konzentrators 11 nur in seiner Längsachse (Richtung 16) verschoben, nicht aber quer dazu. Dennoch ist dies nachteilig, da die Strahlen 31' und 33' schräg auf das optische Element 20 fallen (Figur 2a und 2c) und deshalb teilweise in dieses eintreten und erfindungsgemäss gebrochen werden, teilweise aber auch von der Oberfläche des optischen Elements reflektiert werden, was den Wirkungsgrad des Sonnenkollektors 10 negativ beeinflusst, da die reflektierten Strahlen nicht in den Brennpunktbereich gelangen. Dieser Effekt ist nahe Null im Fall des Strahls 32', und wird grösser, je schräger die Strahlen 31' oder 33' auf die untere Oberfläche des optischen Elements 20 fallen.

Figur 4 zeigt nun eine erfindungsgemässe Anordnung, die den durchschnittlichen Wirkungsgrad der zweiten Konzentratoranordnung steigert. Die Figur zeigt analog zu Fig. 2c einen Schnitt durch den Kollektor 10 in Längsrichtung (Pfeil 16), wobei nur ein Teil des Längsschnitts dargestellt ist, um die Verhältnisse anhand eines beliebigen optischen

Elements 20 des Kollektors 10 (Figur 2a) näher zu erläutern. Das optische Element 20 ist über ein Trägerpaar 40,40' (von dem nur der in der Bildebene vordere Träger 40' sichtbar ist) verschwenkbar an ihrerseits fest am Absorberrohr 12 angeordneten Trägern (von denen nur der in der Bildebene vordere Träger 41' sichtbar ist) angelenkt. Dadurch kann es in Richtung des Doppelpfeils 42 verschwenkt werden, jeweils so, dass es gegenüber dem aktuellen Strahlungspfad der ersten Konzentratora- nordnung ausgerichtet ist, d.h. senkrecht zum aktuellen ersten Strahlungspfad steht. In der Figur ist der aktuelle Strahlungspfad durch die Strahlen 31' und 31** repräsentiert. Der zweite Strahlungspfad wird durch die Strahlen 15' und 15** repräsentiert. Die Verschwenkbewegung wird durch einen in Richtung des Doppelpfeils 47 bewegbaren Hebel 48 ausgelöst, der mit dem optischen Element 20 (und allen anderen optischen Elementen des Kollektors 10) verbunden ist. Eine zur Entlastung der Figuren nicht dargestellte Steuerung des Kollektors 10 kann einen ebenfalls nicht dargestellten Antrieb für den Hebel 48 ansteuern, so dass die Ausrichtung des optischen Elements 20 über Tag jederzeit richtig erfolgt. Der Vorschubbereich des Hebels 48 definiert einen Ausrichtbereich für die optischen Elemente 20, der dem am Standort des Kollektors 10 herrschenden tageszeitlichen Strahlungsverhältnissen entspricht (Figur 3).

Die Trägerpaare mit den Trägern 40,40' und 41,41' sowie der Hebel 47 mit dem zugehö- rigen Antrieb und seiner Steuerung stellen Mittel dar, um den mindestens einen Kon- zentrator (bei der dargestellten Ausführungsform: die optischen Elemente 20) der zweiten Konzentratoranordnung gegenüber einem aktuellen ersten Strahlungspfad der ersten Konzentratoranordnung laufend, der Tageszeit entsprechend, auszurichten. Vorteilhaft an der in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist, dass durch das Trägerpaar mit dem Träger 41 die Verschwenkachse 43 in den Bereich der thermischen Öffnung 45 gelegt wird, mit der Folge, dass der gestrichelt angedeutete Brennpunktbereich 46 über den gesamten Ausrichtbereich des optischen Elements 20 (bzw. Ausrichtbereich des mindestens einen Konzentrators der zweiten Konzentratora- nordnung) in einer festgelegten Position fixiert gehalten ist. Da das Absorberrohr 12 gegenüber dem Konzentrator 11 fest angeordnet ist, ist dies auch für den Brennpunktbereich 45 der Fall. Mit anderen Worten ist durch die gezeigte Anordnung der Brennpunktbereich 45 des Konzentrators der zweiten Konzentratora- nordnung (das optische Element 20) über den gesamten Ausrichtbereich gegenüber ei- ner relativ zu einem Konzentratorabschnitt der ersten Konzentratoranordnung (hier der in der Figur dargestellte Abschnitt des Konzentrators 11) festgelegten Position fixiert gehalten.

Diese Anordnung erlaubt, die thermischen Öffnungen 45 auf die Ausdehnung des festen Brennpunktbereichs 46 zu reduzieren, d.h. auf diejenigen Abmessungen, die sich durch die wechselnde Ausrichtung der Strahlung (Figur 3) insgesamt ergeben. Würde das optische Element 20 nicht erfindungsgemäss ausgerichtet, müsste die thermische Öffnung eine Länge aufweisen, die der Verschiebung des Brennpunktbereichs über die Tageszeit entspricht. Bei einer langen Besonnungszeit über Tag könnte dies sogar dazu führen, dass sich die einzelnen thermischen Öffnungen berühren, d.h. dass das Absorberrohr eine über seine Länge durchgehende thermische Öffnung aufweisen würde. Ein entsprechender und erfindungsgemäss vermeidbarer Wärmeverlust wäre die Folge.

Figur 5a zeigt eine weitere Ausführungsform gemäss der vorliegenden Erfindung, wobei die Ausführungsform gemäss Figur 4 durch zwei Begrenzungsspiegel 50,51 ergänzt ist.

Eine bevorzugte Anordnung solcher Spiegel ist dem Fachmann als Compound Parabolic Concentrator bekannt. Nach dem Wissen der Anmelderin sind Compound Parabolic Concentrators bisher nicht in Sonnenkollektoren mit Linearkonzentratoren verwendet worden. In einem Compound Parabolic Concentrator besitzen die Spiegel 50,51 ein Pro- fil, das einem Ast einer Parabel entspricht, wobei der Brennpunkt dieser Parabel am unteren Rand des gegenüber liegenden Spiegels liegt. Die Begrenzungsspiegel 50,51 sind hier einerseits am optischen Element 20 und andererseits an einer oberen Halterung 58 befestigt, gegenüber dem optischen Element 20 fixiert und mit diesem verschwenkbar angeordnet.

Durch diese Begrenzungsspiegel 50,51 wird eine Streuung der im ersten Strahlungspfad reflektierten Strahlung korrigiert. Die Streuung ergibt sich einerseits aus dem Öffnungs- Winkel der Sonne, mit der Folge, dass die Sonnenstrahlung nicht als Parallelstrahlung einfällt, und andererseits aus dem Konzentrator 11 selbst, dessen Oberfläche mit vernünftigem Kostenaufwand nicht geometrisch ideal herzustellen ist, was eine weitere Störung des Strahlengangs zur Folge haben kann. Ebenso können Fehler im optischen Element 20 eine Störung im zweiten Strahlungspfad bewirken, die durch die Begrenzungsspiegel 50, 51 korrigiert wird.

In der Figur ist ein Strahl 31** im ersten Strahlungspfad und ein Strahl 15** im zweiten Strahlungspfad eingezeichnet. Es sei angenommen, dass der Strahl 31** der reflektierte Strahl eines aus dem Zentrum der Sonne stammenden Strahls ist, und dass der Konzentrator 11 am Ort der Reflektion geometrisch ideal ausgebildet ist. Dem entsprechend läuft der Strahl 15** ideal durch das Zentrum des Brennpunktbereichs 46.

Weiter eingezeichnet in der Figur ist ein Strahl 53' im ersten Strahlungspfad und ein Strahl 54' im zweiten Strahlungspfad. Hier sei angenommen, dass der Strahl 53' der reflektierte Strahl eines vom Rand der Sonne stammenden Strahls ist, und/oder dass der Konzentrator 11 am Ort der Reflektion eine geometrische Abweichung aufweist. Dem entsprechend sind die Strahlen 31** und 53' nicht parallel, und weiter ist der Strahl 54' trotz Brechung im optischen Element 20 (oder auch wegen eines Fehlers im optischen Element 20) nicht auf den Brennpunktbereich 46 gerichtet, sondern würde diesen verfehlen, wie dies durch die gestrichelte Linie 47 angedeutet ist.

Der Strahl 54' trifft entsprechend auf den Begrenzungsspiegel 50 und wird von diesem als Strahl 55' in den Brennpunktbereich 46 reflektiert.

Diese Reflektion am Begrenzungsspiegel 50 führt dazu, dass alle auf ihn im Rahmen seines Akzeptanzwinkels auftreffende Strahlung auf den Brennpunktbereich 46 konzentriert wird. Die Begrenzungsspiegel 50, 51 stellen mit anderen Worten eine dritte Kon- zentratoranordnung dar, mit einem dritten Strahlungspfad, dessen Brennpunktbereich am Ort des Brennpunktbereichs 46 des zweiten Strahlungspfads liegt. Figur 5b zeigt eine Ansicht auf die Anordnung von Figur 5a in einem Schnitt entlang der Ebene AA von Figur 5a. Ersichtlich sind die Unterseite des optischen Elements 20, die Rückseite des Begrenzungsspiegels 50, wobei durch das dort eingezeichnete Kreuz der Auftreffpunkt des Strahls 54' markiert ist.

An dieser Stelle sei angefügt, dass die Figur die Anwendung der Begrenzungsspiegel 50,51 im Längsschnitt durch den Kollektor 10 zeigt, d.h., dass deren Fläche quer, in Richtung 17 verläuft. Die Begrenzungsspiegel können jedoch auch mit ihrer Fläche längs, in Richtung 16 ausgerichtet sein, so dass der Strahlengang beispielsweise durch nicht pa- rallel einfallende Strahlung der Sonne, aufgrund von Fehlern in der Krümmung des Kon- zentrators 11 in Querrichtung (Richtung 17) oder in Querrichtung wirksamen Fehlern im optischen Element 20 durch weitere Konzentration in einem dritten Strahlungspfad korrigiert werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Begrenzungsspiegel für die Korrektur des Strahlungsgangs in Längs- und in Querrichtung vorgesehen.

Figur 6a zeigt einen erfindungsgemäss ausgebildeten Kollektor 60, dessen erste Kon- zentratoranordnung mehrere, neben einander und längs verlaufende Konzentrato- rabschnitte 61, 62 aufweist. An dieser Stelle sei vermerkt, dass die erste Konzentratora- nordnung nicht nur zwei, sondern beispielsweise vier, sechs, acht oder mehr solcher Konzentratorabschnitte besitzen kann.

Eine weitere Ausführungsform eines Sonnenkollektors in der Art des in Figur 6a darge- stellten besitzt einen Rinnenkollektor mit einem Konzentrator von 50 m Länge, wobei der Konzentrator zwei parallele Abschnitte von je 4 m Breite aufweist, die so gekrümmt sind, dass ihr Brennlinienbereich sich in einem Abstand von 3 m befindet. Die optischen Elemente können nicht als plattenförmige Körper, sondern als in Querrichtung gekrümmte Halbschalen ausgebildet sein (mit einer geeigneten Fresnel-Struktur), und be- sitzen dann einen Krümmungsradius von 200 mm und eine Länge von 200 mm. Entsprechend sind über die Länge des Absorberrohrs ca. 250 optische Elemente vorgesehen, wobei das Absorberrohr (Figur 10) 250 thermische Öffnungen aufweist. Jedem Konzentratorabschnitt 61,62 ist eine Reihe 63,64 von optischen Elementen 65,66 zugeordnet, wobei wiederum jedem optischen Element 65,66 eine eigene thermische Öffnung 67,68 im Absorberrohr 69 zugeordnet ist. Wiederum sind zur Entlastung der Fi- gur die Träger für die optischen Elemente 65,66 und andere, zum Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Elemente weggelassen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass sich in Querrichtung benachbarte optische Elemente 20 gemeinsam einer thermische Öffnung zugeordnet sein können. Ein Sonnenstrahl 70 wird im Konzentratorabschnitt 61 als Strahl 71 (erster Strahlungspfad des Konzentratorabschnitts 61) reflektiert, durch das optische Element 65 gebrochen und als Strahl 72 (zweiter Strahlungspfad des optischen Elements 65) in einen in der Figur nicht ersichtlichen Brennpunktbereich am Ort der verdeckten thermischen Öffnung 67 gelenkt.

Ebenso wird ein Sonnenstrahl 74 wird im Konzentratorabschnitt 62 als Strahl 75 (erster Strahlungspfad des Konzentratorabschnitts 62) reflektiert, durch das optische Element 66 gebrochen und als Strahl 76 (zweiter Strahlungspfad des optischen Elements 66) in einen Brennpunktbereich 78 am Ort der thermischen Öffnung 68 gelenkt.

Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass die Querausdehnung (Richtung 17) der einzelnen Konzentratorabschnitte 61,62 kleiner ist, als dies bei einem einzigen Konzentrator der Fall wäre, so dass gegenüber einem breiteren Konzentrator kleinere Brennpunktbereiche erzielbar sind (Öffnungswinkel der Sonne). Dies wiederum führt zu klei- neren thermischen Öffnungen 67,68, deren gesamte Fläche kleiner ist als die Fläche der thermischen Öffnungen bei nur einem, aber deutlich breiteren Konzentrator. Dasselbe gilt in Längsrichtung: an Stelle der konventionell über die Länge des Absorberrohrs 69 ununterbrochen verlaufenden thermischen Öffnung (sei diese physisch ausgebildet oder nicht, s. oben) sind nun über die Länge des Absorberrohrs 69 von einander beabstandet angeordnete thermische Öffnungen möglich, die in der Summe eine kleinere Fläche aufweisen als die gemäss dem Stand der Technik durchgehende thermische Öffnung. Natürlich sind alle optischen Elemente 65, 66 erfindungsgemäss verschwenkbar am Absorberrohr 69 angeordnet, wie dies in den Figuren 4 bis 5b beispielhaft dargestellt ist. Ebenso sind die optischen Elemente 65,66 wie oben beschrieben beispielsweise als Fresnellinsen ausgebildet.

Figur 6b zeigt einen gegenüber Figur 6a leicht modifizierten Kollektor 70, hier ebenfalls mit zwei Konzentratorabschnitten 71,72 und zwei Reihen 73,74 von optischen Elementen 20. Wie oben erwähnt, könnten auch beispielsweise sechs Konzentratorabschnitte und sechs Reihen von optischen Elementen 20 vorgesehen werden. Die optischen Ele- mente 20 jeder Reihe 73,74 sind auf den ihnen jeweils zugeordneten Konzentrato- rabschnitt 71,72 ausgerichtet und damit schräg angeordnet, und damit in einer durch die strichpunktierten Linien 75,76 angedeuteten, schrägen Ebene erfindungsgemäss verschwenkbar. Durch diese Ausrichtung der optischen Elemente 20 verbessert sich der Wirkungsgrad der Anordnung erneut. Die Figur zeigt weiter einen Sonnenstrahl 80, ei- nen den ersten Strahlungspfad des Konzentratorabschnitts 71 repräsentierenden reflektierten Strahl 81 und einen korrekt laufenden, den zweiten Strahlungspfad repräsentierenden Strahl 82 (der somit am Begrenzungsspiegel 50 vorbeiläuft. Weiter zeigt die Figur einen vorzugsweise begehbaren Streifen 83 sowie seitliche Rahmenteile 84 und 85, zwischen denen die Konzentratorabschnitte 71,72 aufgespannt sind. Bevorzugt sind ist die Breite des Streifens 83 so gewählt, dass nur er durch die beiden Reihen 73,74 der optischen Elemente 20 beschattet wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die eine Fresnelstruktur aufweisende Linse 230 nach Figur 7a noch verbessert, um Fehler durch Aberration zu minimie- ren:

Figur 7b zeigt einen Schnitt in Querrichtung 17 durch die Fresnellinse 230 im eingebauten Zustand, der Schnitt verläuft entlang einer der Stufen 233. In diesem Schnitt ist zur Entlastung der Figur nur die links von der strichpunktierten Symmetrielinie 35 gelegene Hälfte der Fresnellinse 230 mit dem in ihm verlaufenden Strahlungspfad dargestellt. Von der ersten Konzentratoranordnung (hier: Konzentrator 11 bzw. Abschnitte 71,72) reflektierte Sonnenstrahlen 206^IV bis 206^vl fallen an der unteren optisch wirksamen Oberfläche 231 ein, werden an dieser zum Lot 236 hin gebrochen, durchqueren den Körper der Fresnellinse 230 bis zur oberen optisch wirksamen Oberfläche 232 und ver- lassen diese als Strahlen 215^I bis 215^VI, wobei sie an der oberen Oberfläche 232 vom Lot weg gebrochen werden. Da die Stufen 233 und die Flanken 234 in Querrichtung 17 verlaufen, hat die zweifache Brechung nun zur Folge, dass die Strahlen 215^lv bis 215^VI zu den Strahlen 26^IV bis 26^vi etwas parallel versetzt sind, wobei der Versatz für aussen gelegene Strahlen grösser ist als für innen gelegene Strahlen, was den Brennpunktbereich je nach dem konkreten Fall nachteilig vergrössern kann. Dies ist mit Hilfe der gestrichelt eingezeichneten Fortsetzungen der Strahlen 26^IV bis 26^v qualitativ (und übertrieben) verdeutlicht: würden die Strahlen 26^IV bis 26^v nicht zweifach gebrochen, wären sie recht gut auf die thermische Öffnung 229 des Absorberrohrs 228 konzentriert. Durch die Brechung ergibt sich der beschriebene Parallelversatz, so dass die Strahlen 215^I bis 215^VI die thermische Öffnung 229 nur teilweise erreichen, was nicht optimal sein kann.

Figur 8a zeigt eine diesbezüglich optimierte Ausführungsform. Dargestellt ist ein als Fresnel-Gitterlinse 240 ausgebildetes optisches Element, dessen untere optisch wirksame Oberfläche 241 eben, und dessen obere optisch wirksame Oberfläche 242 abgese- hen von der mittleren Zone 243 eine Fresnel-Gitterstruktur aufweist. Die Grundstruktur der Fresnel-Gitterlinse 240 entspricht der Struktur des optischen Elements 230. Die Abweichung gegenüber dem optischen Element 230 liegt in der Ausbildung der Flanken 244, die ihrerseits in Facetten 245 unterteilt sind, wobei jede Facette 245 im eingebauten Zustand in Querrichtung 217 anders geneigt ist. Wie, zeigt Fig. 8b anhand eines ein- fallenden Strahls 26 ", der beim Durchtritt durch die untere optisch wirksame Oberfläche 241 zum Lot gebrochen wird und den Körper des Elements 241 durchquert, bis er an der durch die jeweilige Facette 245 gebildete obere optisch wirksame Oberfläche 242 beim Austritt wieder gebrochen wird und als Strahl 215^v" die Öffnung 229 des Absorberrohrs 228 erreicht.

Wie anhand der Figur 7b beschrieben, würde der Strahl 206 " ohne Durchgang durch ein optisches Element die thermische Öffnung 229 erreichen (gestrichelte Linie 246), wenn er nicht durch die doppelte Brechung beim Durchgang parallel versetzt würde, was entsprechend der Figur 6b durch die strichpunktierte Linie 247 angedeutet ist. Tatsächlich wird nun der Strahl 206^v" an der geneigten Facette 245 derart gebrochen, dass die Abweichung durch den Versatz kompensiert wird, so dass der Strahl 215^v" die thermische Öffnung 229 erreicht.

Der Fachmann kann wiederum im konkreten Fall die Auslegung der Fresnel- Gitterstruktur (z.B. Grösse der Facetten 245) und auch die Neigung jeder der Facetten 245 bestimmen.

Eine weitere Ausführungsform eines als Fresnel-Gitterlinse 250 ausgebildeten optischen Elements zeigt Figur 8c, wobei die untere und die obere optisch wirksame Oberfläche 251,252 je mit einer Fresnel-Gitterstruktur versehen sind. Wiederum entspricht der Schnitt durch Fresnel-Gitterlinse 250 demjenigen von Figur 3. Facetten 256 in der unte- ren Oberfläche 251 entsprechen Facetten 255 in der oberen Oberfläche 252, so dass ein einfallender reflektierter Sonnenstrahl 206^IX senkrecht auf die Facetten 256,255 auftrifft und damit durch diese nicht gebrochen wird, somit eine eine Aberration in der dargestellten Ebene unterbleibt. Vorzugsweise sind dann die Facetten 255 in der oberen Oberfläche 252 in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Figur geneigt (Neigung in Richtung 16), so dass die Strahlen 215'" in einen Brennpunktbereich am Ort der thermischen Öffnung 229 konzentriert werden. Auch hier ist eine mittlere Zone 253, 254 ohne Facetten 256,255 ausgebildet.

Der Fachmann kann im konkreten Fall die Auslegung der Fresnel-Gitterstrukturen und damit auch die Neigung jeder der Facetten 255,256 bestimmen.

Figur 9 zeigt schliesslich in einem Diagramm einen Vergleich zwischen einem konventionellen Absorberrohr, das im Querschnitt gesehen über eine einzige, breite thermische Öffnung verfügt und einer Absorberanordnung bzw. einem Absorberrohr wie sie vorlie- gend verwendet wird, nämlich mit hier zwei neben einander angeordneten thermischen

Öffnungen gemäss beispielsweise Figur 6b. A bezeichnet die (grössere) Breite der thermischen Öffnung des konventionellen Absorberrohrs, B bezeichnet die Breite jeder der beiden thermischen Öffnungen des erfin- dungsgemässen Absorberrohrs (Figur 6b). Beiden Absorberrohren (d.h. dem konventionellen und dem erfindungsgemässen) sei für den Vergleich der gleiche Konzentrator zu- geordnet, wobei das konventionelle Absorberrohr mit seiner thermischen Öffnung alle

Brennlinienbereiche des gesamten Konzentrators erfasst, während die thermischen Öffnungen des erfindungsgemässen Absorberrohrs je einer Hälfte dieses Konzentrators bzw. je dem Brennlinienbereich dieser Hälfte zugeordnet sind. Die Kurven über den eingezeichneten Breiten A und B bezeichnen die durch die entsprechenden thermischen Öffnungen über die konzentrierte Strahlung aufgenommene Leistung. Die Kurve 320 zeigt die vom konventionellen Absorberrohr mit einer einzigen thermischen Öffnung aufgenommene Leistung bei der entsprechenden Breite A dieser Öffnung. Die Kurven 321 und 322 zeigen entsprechend die vom erfindungsgemässen Absorberrohr über dessen beiden neben einander liegenden thermischen Öffnungen aufgenommene Leistung.

Die Differenz in der von einem konventionellen Absorberrohr gegenüber einem erfindungsgemässen Absorberrohr aufgenommenen Leistung entspricht der Differenz zwi- sehen der schraffierten und den beiden gepunkteten Flächen in Figur 9. Die gepunkteten

Flächen sind gleich oder etwas grösser als die schraffierte Fläche. Somit ist die Leistungsaufnahme des erfindungsgemässen Absorberrohrs mit zwei weniger breiten thermischen Öffnungen gleich gross oder etwas grösser als diejenige des konventionellen Absorberrohrs mit nur einer thermischen Öffnung.

Dieser Effekt ist auf den Öffnungswinkel der Sonne zurückzuführen, wonach im Konzentrator reflektierte Strahlung notwendigerweise in einen Brennlinienbereich streut, welcher Effekt mit steigender Entfernung der Randbereiche des Konzentrators sich verstärkt.

Zusammenfassend lässt sich der Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Kollektors zusätzlich verbessern: Zum einen wird die konventionell als einziger Längsschlitz ausgebildete thermische Öffnung in Längsrichtung in eine Anzahl kleinerer thermischer Öffnungen aufgelöst, mit einer Gesamtfläche der kleineren Öffnungen, die kleiner ist als die Fläche der einzigen thermischen Öffnung. Dies ist durch die Verwendung einer zweiten Konzentratoranord- nung ermöglicht, die den Brennlinienbereich des Rinnenkonzentrators in Brennpunktbereiche auflöst.

Dann wird die konventionelle thermische Öffnung, die über die Länge des Absorberrohrs verläuft, in im Querschnitt neben einander liegende thermische Öffnungen mit einer geringeren Breite aufgelöst, und jede der weniger breiten thermischen Öffnungen einem Konzentratorabschnitt zugeordnet. Dabei erfolgt mit kleinerer Gesamtfläche der thermischen Öffnungen der gleiche Wärmeeintrag in das Absorberrohr, wie es bei einer einzigen thermischen Öffnung der Fall ist.

Figuren 10a und 10b zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die zweite Konzentratoranordnung nicht ein transparentes optisches Element, sondern einen Spiegel aufweist. In Figur 10a ist ein Sonnenkollektor 100 dargestellt, mit einer Druckzelle 101 bekannter Art, aufgespannt in einem Rahmen 102, der seinerseits für die Nachverfolgung der Sonne verschwenkbar an einem Sockel 103 gelagert ist.

In der Druckzelle 101 ist eine erste Konzentratoranordnung mit einem mehrteiligen Konzentrator, bestehend aus den Abschnitten 104 und 105 angeordnet, wobei erfin- dungsgemäss eine hier ebenfalls zweiteilige zweite Konzentratoranordnung vorgesehen ist, mit Spiegeln 106 und 107. Jeder Spiegel 106, 107 liegt im Strahlungspfad des ihm zugeordneten Konzentratorabschnitts 104, 105. Die Einfallende Sonnenstrahlung wird durch die Strahlen 110, 111 dargestellt, der Strahlungspfad der Konzentratorabschnitte 104 und 105 durch die reflektierten Strahlen 112,113. Die Spiegel 106, 107 befinden sich im Strahlungspfad vor dem Brennlinienbereich des jeweiligen Konzentratorabschnitts

104, 105. Der Strahlungspfad der Spiegel 106,107 für die reflektierte Sonnenstrahlung 112,113 wird durch die an den Spiegeln reflektierte Strahlung 114,115 dargestellt. Diese reflektierte Strahlung 114,115 wird erfindungsgemäss durch die Spiegel 106,107 in einen Brennpunktbereich 116 konzentriert, der in einer zugeordneten Öffnung des Absorberrohrs liegt. Die dazu notwendige Krümmung der Spiegel 106,107 ist in Figur 7b schematisch dargestellt. Die Spiegel 106,107 können alternativ mit einer Fresnel-Struktur, besonders bevorzugt mit einer Fresnel-Gitterstruktur versehen sein. Figur 7b stellt eine Ansicht auf einen Teil des Sonnenkollektors 100 dar, wobei die Blickrichtung etwa der Pfeilrichtung für das Referenzzeichen 100 in Figur 7a entspricht. Zur Entlastung der Figur ist nur das Absorberrohr 120, eine der thermischen Öffnungen 121 und ein dieser Öffnung 121 zugeordneter Spiegel 107 dargestellt. Benachbarte und gleich ausgebildete Spiegel 107', die sich unter dem Absorberrohr 120 über seine ganze Länge (Pfeil 16) aneinanderreihen, sind gestrichelt angedeutet, wobei jedem Spiegel 107' seinerseits eine Öffnung 121 zugeordnet ist.

Der Spiegel 107 ist in Längsrichtung 16 derart (konkav) gekrümmt, dass, in Längsrichtung gesehen, alle einfallenden Strahlen 113 auf den Brennpunktbereich 116 konzentriert werden, während der Spiegel 107 zudem in Querrichtung 17 ebenfalls (konkav) gekrümmt ist, so dass die Konzentration auf den Brennlinienbereich 116 in Querrichtung ebenfalls stattfindet.

Figur 10c zeigt die Anordnung der Figuren 10a und 10b, wobei erfindungsgemäss Mittel vorgesehen sind, um den Spiegel 107 in einem Ausrichtbereich gegenüber einem aktuellen Strahlungspfad der ersten Konzentratoranordnung auszurichten. Diese Mittel weisen ein Auflager 122 auf, auf welchem der Spiegle 107 um eine Verschwenkachse 123 verschwenkbar gelagert ist, wobei die Verschwenkbewegung durch einen Hebel 124 ausgelöst wird, der durch einen zur Entlastung der Figur nicht dargestellten Antrieb aktiviert wird. Die Spiegel können bevorzugt eine Fresnel-Gitterstruktur aufweisen, die der Fachmann im konkreten Fall so bestimmen kann, dass der erfindungsgemässe Erfolg eintritt. Solche Spiegel können ebenfalls als Guss hergestellt werden, wobei beispielsweise die wirksa- me optische Oberfläche des Gussteils durch eine geeignete Beschichtung verspiegelt werden kann.

Vorteilhaft ist an den in den Figuren dargestellten Anordnungen ist, dass die zweite Kon- zentratoranordnung in der Druckzelle der ersten Konzentratoranordnung angeordnet werden kann, so dass sie vor Verschmutzung geschützt ist. Grundsätzlich erspart dies den beträchtlichen Aufwand für die Reinigung, wobei nicht durch die Druckzelle geschützte, fein abgestufte Fresnel-Strukturen der optischen Elemente oder Fresnel- Gitterstrukturen in den Spiegeln nur mit sehr grossem Reinigungsaufwand genügend ge- reinigt werden können, was ohne diesen exorbitanten Reinigungsaufwand zu Verlusten in der Leistung des Kollektors führen muss.

Zusammenfassend umfasst die vorliegende Erfindung insbesondere die folgenden beiden Punkte

A. einen Sonnenkollektor mit einer ersten Konzentratoranordnung, die einen ersten Strahlungspfad mit einen Brennlinienbereich für in einem Betriebsbereich wechselnd in sie einfallende Sonnenstrahlung aufweist, und mit einer Absorberanordnung für konzentrierte Strahlung, gekennzeichnet durch eine zweite Konzentratoranordnung mit mindestens einem, im ersten Strahlungspfad vor dessen Brennlinienbereich angeordneten, seinerseits einen zweiten Strahlungspfad mit einem Brennpunktbereich aufweisenden weiteren Konzentrator, wobei die zweite Konzentratoranordnung Mittel zum laufenden Ausrichten in einem Ausrichtbereich des mindestens einen weiteren Konzentra- tors gegenüber einem aktuellen Strahlungspfad der ersten Konzentratoranordnung aufweist.

B. einen Sonnenkollektor nach Punkt A, wobei das Absorberelement als Absorberrohr ausgebildet ist und die zweite Konzentratoranordnung mindestens eine Reihe von über die Länge des Absorberrohrs hinter einander angeordneten weiteren Konzentratoren aufweist und wobei an jedem Ort über die Länge des Absorberrohrs mindestens eine thermische Öffnung dem dem dortigen mindestens einen weiteren Konzentrator zugeordnet ist, und wobei bevorzugt mehrere Reihen von weiteren Konzentratoren vorgese- hen sind, und jedem weiteren Konzentrator jeder Reihe eine eigene thermische Öffnung zugeordnet ist, und wobei die Mittel zum laufenden Ausrichten der weiteren Konzentra- toren deren Brennpunktbereiche in der zugeordneten thermischen Öffnung fixiert halten.

Diese beiden Punkte können weitere Ausführungsformen gemäss den abhängigen Ansprüchen umfassen.

Claims

Patentansprüche

Sonnenkollektor mit einer ersten Konzentratoranordnung, die einen ersten Strahlungspfad mit einen Brennlinienbereich für in einem Betriebsbereich wechselnd in sie einfallende Sonnenstrahlung aufweist, und mit einer Absorberanordnung für konzentrierte Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Konzentratoranordnung mehrere Konzentratorabschnitte mit je einem Brennlinienbereich aufweist, und eine zweite Konzentratoranordnung vorgesehen ist, mit mehreren Reihen über die Länge der Absorberanordnung hinter einander angeordneten, weiteren Konzentratoren, wobei die weiteren Konzentratoren jeder Reihe jeweils einem Brennlinienbereich zugeordnet und im ersten Strahlungspfad vor dem jeweiligen Brennlinienbereich angeordnet sind, und die weiteren Konzentratoren ihrerseits einen zweiten Strahlungspfad mit je einem Brennpunktbereich aufweisen, und wobei der Kollektor Mittel zum laufenden Ausrichten in einem Ausrichtbereich der weiteren Konzentratoren gegenüber einem aktuellen Strahlungspfad der Konzentratorabschnitte der ersten Konzentratoranordnung aufweist, wobei über die Länge des Absorberanordnung jedem weiteren Konzentrator jeder Reihe eine thermische Öffnung zugeordnet ist, welche Öffnungen ihrerseits an der Absorberanordnung in neben einander verlaufenden Reihen angeordnet sind, und wobei die Mittel zum laufenden Ausrichten der weiteren Konzentratoren deren Brennpunktbereiche in der ihr zugeordneten thermischen Öffnung fixiert halten.

Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Absorberanordnung als Absorberrohr ausgebildet ist. und vorzugsweise die Mittel zum Ausrichten in der zweiten Konzentratoranordnung vorgesehen sind.

Sonnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die weiteren Konzentratoren in Betrieb einen Raum zwischen zwei Konzentratorabschnitten beschatten.

Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei zwei, bevorzugt vier, weiter bevorzugt sechs, besonders bevorzugt acht Konzentratorabschnitte vorgesehen sind.

5. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei in jeder thermischen Öffnung photovol- taische Zellen angeordnet sind.

6. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die weiteren Konzentratoren als ein für Sonnenstrahlung transparentes optisches Element ausgebildet sind, das vorzugsweise eine Fresnel-Struktur, besonders bevorzugt eine Fresnel-Gitterstruktur aufweist.

7. Sonnenkollektor nach Anspruch 6, wobei die Fresnellinse eine Fresnel-Gitterstruktur aufweist, derart, dass ein Versatz des hindurchgetretenen Strahls aufgrund der Dicke der Linse kompensiert wird, derart, dass der Strahl die thermische Öffnung trotz dem Versatz erreicht.

8. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die weiteren Konzentratoren Spiegel aufweisen, durch die die Strahlung in einen Brennpunktbereich reflektiert wird.

9. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Strahlungspfad zwischen einem weiteren Konzentrator und seinem Brennpunktbereich durch seitlich im Strahlungspfad angeordnete Begrenzungsspiegel begrenzt ist, die einen dritten Strah- lungspfad für vom mindestens einen weiteren Konzentrator konzentrierte Strahlung aufweisen, vorzugsweise mit einem Brennpunktbereich, der am Ort des Brennpunktbereich des zweiten Strahlungspfads liegt.

10. Sonnenkollektor nach Anspruch 9, wobei die Begrenzungsspiegel einen Compound Pa- rabolic Concentrator aufweisen.

11 Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die thermischen Öffnungen in mehreren, zu einander parallel über die Länge der Absorberanordnung verlaufenden Reihen angeordnet sind, und wobei bevorzugt auf gleicher Höhe des Absorberrohrs die thermischen Öffnungen jeder Reihe nebeneinander gruppiert sind, und über die Länge des Absorberrohrs Gruppe für Gruppe hintereinander angeordnet ist.

12. Sonnenkollektor nach Anspruch 11, wobei die thermischen Öffnungen in zwei, bevorzugt in vier, weiter bevorzugt in sechs und besonders bevorzugt in acht Reihen angeordnet sind.

13. Absorberrohr nach Anspruch 11, wobei die Absorberanordnung, die vorzugsweise als Absorberrohr ausgebildet ist, rundum aussenisoliert ist, einschliesslich der zwischen den thermischen Öffnungen gelegenen Bereiche.

14. Absorberrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die weiteren Konzentratoren der zweiten Konzentratoranordnung mit einer vorzugsweise am Absorberelement verschwenkbar angeordneten Trägeranordnung verbunden sind, und wobei die Ver- schwenkachse bevorzugt im Brennpunktbereich des weiteren Konzentrators liegt.