EP2786079A2 - Solarkollektor mit einer verschwenkbaren konzentratoranordnung - Google Patents

Solarkollektor mit einer verschwenkbaren konzentratoranordnung

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EP2786079A2
EP2786079A2 EP12805912.8A EP12805912A EP2786079A2 EP 2786079 A2 EP2786079 A2 EP 2786079A2 EP 12805912 A EP12805912 A EP 12805912A EP 2786079 A2 EP2786079 A2 EP 2786079A2
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EP
European Patent Office
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concentrator
radiation
trough collector
concentrators
secondary concentrators
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12805912.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gianluca AMBROSETTI
Jonathan CHAMBERS
Thomas Cooper
Andrea Pedretti
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Airlight Energy IP SA
Original Assignee
Airlight Energy IP SA
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/79—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with spaced and opposed interacting reflective surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a gutter collector according to the preamble of claim 1, a gutter collector according to claim 16 and a secondary concentrator according to claim 16.
  • Trough collectors or secondary concentrators of the type mentioned find u.a. in solar power plants application. To date, it has not been able to generate solar power in application of this technology in approximately cost-covering nature because of the not yet overcome disadvantages of photovoltaics.
  • Solar thermal power plants on the other hand, have been producing electricity on an industrial scale for some time now at prices which, compared to photovoltaics, are close to the current commercial prices for conventionally generated electricity.
  • the Dish Sterling systems as small units in the range of up to 50 kW per module (whether thermal or photovoltaic) have not generally prevailed.
  • Solar tower power plant systems have a central, raised (on the "tower") mounted absorber for hundreds to thousands of individual mirrors with mirrored to him sunlight, so that the radiation energy of the sun over the many mirrors or concentrators in the absorber concentrated and thus temperatures up to 1300 ° C, which is favorable for the efficiency of the downstream thermal machines (usually a steam or fluid turbine power plant for power generation).
  • California Solar has a capacity of several MW.
  • the PS20 plant in Spain has an output of 20 MW.
  • Solar tower power plants have (despite the advantageously achievable high temperatures) also found no greater spread to this day.
  • Parabolic trough power plants are widespread and have collectors in high numbers, which have long concentrators with small transverse dimension, and thus have not a focal point, but a focal line.
  • these line concentrators have a length of 20 m up to 150 m, but can also have a length of
  • Photovoltaic systems can be equipped with photocells, which are arranged at the location of the focal line.
  • the absorber line can additionally with a surrounding (not or little insulating) mechanical
  • an important parameter for the efficiency of a solar power plant is the temperature of the transport medium heated by the collectors, through which the heat recovered is transported away from the collector and used for conversion into, for example, electricity: higher temperature allows a higher conversion efficiency to be achieved ,
  • the realizable in the transport medium temperature in turn depends on the concentration of the reflected solar radiation through the concentrator.
  • a concentration of 50 means that in the focal zone of the concentrator an energy density per m 2 is achieved which corresponds to 50 times the energy radiated from the sun to one m 2 of the earth's surface.
  • the theoretical maximum possible concentration depends on the geometry of the Earth - Sun, i. from the opening angle of the solar disk observed from the earth. From this opening angle of 0.27 ° it follows that the theoretically maximum possible concentration factor for trough collectors is 213.
  • the illustrated arrangement of the secondary concentrators is of complicated design and does not allow to fully utilize the capacity of the primary collector for different inclination angles of the secondary concentrators since they leave gaps in a straight position between them, corresponding to unused radiation or, if arranged without gaps, already at low inclination collide with each other.
  • a solar collector with the characterizing features of claim 1 and 13, and by a secondary concentrator with the characterizing features of claim 16. Since the pivoting range of the secondary concentrators extends from a positive angle range over the vertical to the negative angle range, and the radiation reflected by the primary concentrator can be completely detected in all angular positions, the radiation reflected by the primary concentrator can be fully utilized practically at any time of the day.
  • the secondary concentrators of the length of the primary concentrator are arranged in several rows, each row of secondary concentrators is aligned with a length of its associated primary concentrator, there is also an increase in the efficiency.
  • the secondary concentrators absorb less radiation in the transverse direction, they can be formed with a lower acceptance angle in the longitudinal direction, which improves the concentration as such and thus increases the efficiency of the arrangement.
  • the arrangement of the secondary concentrators in several rows is in effect regardless of the inventive design of the secondary concentrators regarding their pivotability, but synergistic for optimal efficiency.
  • FIG. 1a schematically shows a trough collector according to the prior art, with a pressure cell
  • 1 b schematically shows a trough collector according to FIG. 1 a, which has secondary concentrators
  • FIG. 1c shows schematically in a view the changing angle of incidence of the sun
  • Fig. Ld is a diagram illustrating the changing angle of incidence
  • Fig. Le schematically shows a longitudinal section through the collector of Fig. La
  • FIG. 3a shows the detail of Figure 2a in another Verschwenklage the secondary concentrators according to an angle of incidence S of solar radiation
  • FIG. 3b shows the detail of Figure 2a in a further Verschwenklage the secondary concentrators according to an angle of incidence S of solar radiation
  • FIG. 5 is a three-dimensional view of a further preferred embodiment of the inventive primary concentrator with an associated photocell
  • FIG. 6 shows a three-dimensional view of a further preferred embodiment of the primary concentrator according to the invention with a pivoting arrangement for pivoting relative to the primary concentrator
  • FIG 7 shows a cross section through a pressure cell of a trough collector according to the invention with secondary concentrators which are each assigned to a longitudinal section of the primary concentrator.
  • FIG. 1 a shows a trough collector 1 of conventional type with a pressure cell 2, which has the shape of a cushion and is formed by an upper, flexible membrane 3 and a lower, flexible membrane 4 concealed in the figure.
  • the membrane 3 is permeable to sun rays 5, which fall in the interior of the pressure cell 2 on a concentrator membrane (concentrator 10, Figure 2a) and by this as
  • Rays 6 are reflected, towards an absorber tube 7, in which a heat-transporting medium circulates, which dissipates the heat concentrated by the collector.
  • the absorber tube 7 is held by supports 8 in the focal line region of the concentrator membrane (concentrator 10, FIG. 2a).
  • the pressure cell 2 is mounted in a frame 9, which in turn is mounted in a known manner the daily position of the sun pivotally mounted on a frame.
  • the present invention preferably finds application in a solar collector of this type designed as a trough collector, ie with a pressure cell and a concentrator membrane mounted in the pressure cell, it is in no way limited thereto but, for example, also applicable in trough collectors whose concentrators are known as non-flexible mirrors are formed. Collectors with non-flexible mirrors are used for example in the above-mentioned power plants. Likewise, photovoltaic cells can generally be provided instead of an absorber tube.
  • FIG. 1b shows a trough collector with secondary concentrators.
  • a collector 10 designed in principle like the collector 1 of FIG. 1 a, has a concentrator 11 and an absorber tube 12 mounted on supports 8. Sunbeams 5 fall on the primary concentrator 11 and are reflected by it as rays 6.
  • the concrete design of the concentrator 11 results in a radiation path for reflected radiation, which is represented by the beams 6.
  • the arrow 16 indicates the longitudinal direction
  • the arrow 17 the transverse direction.
  • the concentrator 11 is curved in the transverse direction 17 and concentrated in a first direction, namely in the transverse direction 17th
  • the radiation path of the concentrator 11 has a focal line area or a focal plane, necessarily, since, on the one hand, due to the opening angle of the sun, the radiation 5 of which does not collide, the concentration into a geometrically accurate focal line is thus not possible, and moreover because of a accurate parabolic curvature of the concentrator for a theoretically as close as possible approximated focal line with reasonable cost is not feasible.
  • plate-shaped, for concentrated radiation transparent optical elements 20 are part of a secondary concentrator and are arranged in the first radiation path of the concentrator 11, so that the radiation path passes through them. These optical elements 20 break the incident on it (reflected by the concentrator 11) radiation 6 in a second direction, namely in
  • the absorber element formed here as absorber tube 12 is located at the location of the focal point regions 21 and has a number of thermal openings 23 for the
  • a thermal opening allows the heat transfer of the concentrated radiation, but is not necessarily designed as a mechanical opening. At the location of the thermal openings 23 and photovoltaic cells can be arranged.
  • FIG. 1c schematically shows the position of the north-south oriented primary concentrator 11 with respect to the sun, traveling on its lane 30 from morning to evening.
  • the concentrator 11 is inclined to the left in the morning, ie to the east and the evening to the right, ie to the west (the corresponding pivoting of the concentrator 11 is indicated by the double arrow D shown in the figure).
  • the orbit 30 of the sun runs higher or lower over the sky so that a ray of sun 31 obliquely falls on the concentrator 11, which is aligned with the sun.
  • the angle of incidence S between the sun 's ray 31 and the normal N on the concentrator 11 is known as skew angle S.
  • FIG. ld shows a diagram in which the horizontal time of the day (morning - noon - evening) and an associated skew angle (angle S) is shown.
  • the skew angle or angle of incidence S in winter ranges between, for example, 20 ° and 50 ° (Curve A), in summer between minus 20 ° and plus 70 ° (curve B).
  • Figure le shows a longitudinal section through the concentrator 11, with a view of the eastern half. Shown is a sun ray 32, which incident on the concentrator 11 with a skew angle S of about 50 ° and is reflected as a reflected beam 32 'at the same angle to the normal N. Next, a second sun ray 33 is shown, which is incident with a skew - angle S of about minus 20 ° and is reflected as a beam 33 '.
  • the beams 32 'and 33' limit, by way of example, the pivoting range which is required for optimized secondary concentrators.
  • FIG. 2a schematically shows a longitudinal section through a trough collector 40 according to the invention, corresponding, e.g. a collector according to the figures la and lb, wherein to relieve the figure, only a section of the center of the collector 40 shown and the ends are omitted.
  • secondary concentrators 41 with a photovoltaic element are provided according to the invention, with an inlet region
  • Concentrator 11 concentrates the incident sunrays 43 in the transverse direction 17 and reaches the respective secondary concentrator 41 in the entry region 42 as reflected solar rays 43 ', which in turn concentrates the sun's rays 43' in the longitudinal direction 16, so that in its exit region 44, a focal point region is formed for the solar radiation, which is now longitudinally and once transversely concentrated.
  • each secondary concentrator 41 has a first reflective wall 45 and a second reflective wall 46 for the radiation 42 'entering it.
  • the first and the second reflective wall 45 are a first and the second reflective wall 46 for the radiation 42 'entering it.
  • Wall 45, 46 of the secondary concentrators 41 in the inlet region 42 of the radiation of different lengths such that a longer reflective wall of a Sekundärkon- center each adjacent to a shorter reflective wall of the adjacent secondary concentrator.
  • FIG. 2b shows in enlarged form a section corresponding to the dashed region 47 of FIG. 2a.
  • Concentrator fully detect reflected radiation over the entire pivoting range.
  • FIG. 3a now shows the arrangement according to the invention, namely a concentrator 11 with secondary concentrators 41 associated therewith in the event of an incidence of the sun's rays
  • FIG. 3b shows the arrangement according to the invention under a skew angle S of minus
  • FIG. 4 shows a three-dimensional view of a secondary concentrator 41 according to the invention with its first longer wall 46, the second shorter wall 45 and two side walls 55 and 56.
  • the first shorter 45 and second longer reflective walls of the secondary concentrator are formed as a compound parabolic concentrator, as such known to those skilled in the art.
  • a compound parabolic concentrator has an acceptance angle AW at which within this angle ⁇ incoming radiation at a wall 45, 46 only once reflected and then out of the
  • Outlet region 43 is delivered at the angle G ou t. More preferably, the shorter wall 45 and the longer wall each have the same values for 9 in and 6 0ut , ie the shorter wall 45 corresponds in profile to the longer wall 46 to which the corresponding section has been cut away.
  • the person skilled in the art can now design the secondary concentrator according to the invention in such a way that on the one hand the desired secondary concentration enters in the longitudinal direction and, on the other hand, the pivotability is given in the concrete necessary measure due to the difference in the length of the two longitudinally concentrating walls.
  • ⁇ , ⁇ is preferably between 5 ° and 10 °.
  • a suitable value can be selected by a person skilled in the art, which is coordinated inter alia with a photocell or thermal opening of an absorber tube arranged at the exit region 43.
  • the secondary concentrators 41 have means for further concentration of the incident radiation in the first, the transverse direction 17 ( Figure la and lc).
  • a third reflective wall 55 and a fourth reflective wall 56 are provided, which are opposite, and which are designed as a hyperbolic concentrator.
  • the invention is also to form the third wall 55 and the fourth wall 56 as a wedge concentrator. Both a hyperbolic concentrator and a wedge concentrator are known as such to the person skilled in the art who can interpret them appropriately in the specific case.
  • a concentration of 55 suns can be achieved if the width (transverse direction 17) of the inlet region 42 ( Figure 4) of the secondary concentrator 41 accordingly is selected. If the expert then places the secondary concentrator 41 at a secondary concentration of 10 in the longitudinal direction 16, the result is a total concentration of 550 suns. This can be additionally improved by a transverse concentration (see above).
  • FIG. 5 shows a further, preferred embodiment of the secondary concentrators 60 according to the invention, each of which is fixedly connected at its exit region 43 to at least one photovoltaic cell 61, which in turn is arranged in a housing 62, the housing 62 again having bearing journals 63, where it can be mounted pivotably relative to the concentrator 11.
  • the at least one photocell is fixed relative to the focal point region, generated by the secondary concentrator 60, and on the other hand, a simple suspension for the secondary concentrators 60, even in the trough collector.
  • the secondary concentrators 41, 60 are arranged in relation to the primary concentrator 11 such that the focal line area of the primary concentrator in the vertical position of the secondary concentrators
  • a secondary concentrator in particular also a secondary concentrator designed as a compound parabolic concentrator, is arranged in such a way that the focal line region or the focal plane of the primary concentrator lies at the lower edge of the reflecting walls.
  • asymmetrically trained secondary concentrator 41,60 the longer wall 46 the larger proportion of radiation to be concentrated. Accordingly, it is to be understood that the focal plane for optimum concentration must be at the location of the lower edge 48 of the longer wall 46. Surprisingly, however, it has been shown that this is not the case, and the focal plane is to be arranged higher for optimum efficiency of the trough collector.
  • the focal line area or the focal plane of the primary concentrator 11 is in the vertical position of the secondary concentrators above the height of the leading edge 48 of the longer 46 of the walls, which concentrate in the second transverse direction 17 and on the Height or below the height of the entrance region of the means for concentrating the radiation in the first direction, ie preferably a hyperbolic or wedge concentrator.
  • FIG. 6 shows, by way of example, a secondary concentrator 70, which is pivotable about a pivot axis 71 which, in the vertical position of the secondary concentrator, lies at the level of the leading edge of the shorter of the walls, which concentrate in the second direction.
  • a pivot pin 72 on which the secondary concentrator 70 can be pivotably mounted relative to the primary concentrator 11.
  • FIG. 7 shows, by way of example, a cross section through the pressure cell 80 of a trough collector 80, which is designed in accordance with WO 2010/037243.
  • a plurality of secondary concentrators 81, 82 are provided in lateral direction 17 next to one another, wherein each of the necks
  • reflected radiation is received from an associated longitudinal section 83, 84 of the primary concentrator 85.
  • the acceptance angle ⁇ in for the secondary concentration in the longitudinal direction can be reduced if the width of the detector detected by the secondary concentrator Primary concentrator is smaller.
  • the acceptance angle for the longitudinal concentration can then be kept in the following ranges: in the inlet region between 0.5 ° and 10 °, preferably between 3 ° and 10 °, particularly preferably between 5 ° and 10 °, very preferably between 4 ° and 5 °, and more preferably concentrated radiation emerges at an angle of at most 70 °.
  • These values depend on the quality of the primary concentrator and can be reduced to 4 ° to 5 ° with the best efficiency of the secondary concentrator in a primary concentrator designed, for example, according to FIG.
  • Transverse direction 17 are arranged side by side, it follows that the secondary concentrators of the length of the primary concentrator are arranged in several rows, each row of secondary concentrators is aligned with its associated, length of the primary concentrator.
  • two to eight rows of secondary concentrators could thus be provided for four lengths.
  • the primary concentrator is comprised of a number of partially pressurized films lying on each other and having regions of different curvature, and one or more of these regions forming a length segment.

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Abstract

Rinnenkollektor mit einer Anzahl von Sekundärkonzentratoren welche die vom Konzentrator des Rinnenkollektors in einer ersten Richtung quer zu dessen Länge konzentrierte Sonnenstrahlung in einer zweiten, längs zu ihm verlaufenden Richtung konzentrieren, wobei die Sekundärkonzentratoren jeweils eine erste, vordere reflektierende Wand und eine zweite hintere reflektierende Wand aufweisen, welche die Strahlung in der zweiten Richtung konzentrieren, und wobei die Sekundärkonzentratoren miteinander synchron verschwenkbar, vorzugsweise je um eine gegenüber dem Primärkonzentrator fixierte Verschwenkachse angeordnet sind, derart, dass sie bei wechselndem Sonnenstand stets der einfallenden Strahlung gemäss ausgerichtet werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite reflektierende Wand der Sekundärkonzentratoren im Eintrittsbereich der Strahlung verschiedene Länge aufweisen, derart, dass eine längere reflektierende Wand eines Sekundärkonzentrators jeweils neben einer kürzeren reflektierenden Wand des benachbarten Sekundärkonzentrators liegt. Dadurch können die Sekundärkonzentratoren lückenlos neben einander angeordnet werden und bleiben dennoch über einen Bereich von minus 20 Grad bis plus 70 Grad gegenüber dem Primärkonzentrator verschwenkbar.

Description

Solarkollektor mit einer verschwenkbaren Konzentratoranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rinnenkollektor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen Rinnenkollektor nach Anspruch 16 sowie einen Sekundärkonzentrator nach Anspruch 16 .
Rinnenkollektoren bzw. Sekundärkonzentratoren der genannten Art finden u.a. in Sonnenkraftwerken Anwendung. Bis heute ist es wegen der noch nicht überwundenen Nachteile der Fotovoltaik nicht gelungen, 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. In photovoltaischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne auf Photozellen fokussiert, die direkt Strom erzeugen. Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-
Sterling-Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme. Insbesondere bei Parabolrinnensystemen wird vermehrt diskutiert, die Photovoltaik anzuwenden.
Die Dish-Sterling-Systeme als kleine Einheiten im Bereich von bis zu 50 kW pro Modul (sei dies thermisch oder photovoltaisch) haben sich nicht generell durchgesetzt.
l Solarturmkraftwerksysteme besitzen einen zentralen, erhöht (auf dem "Turm") montierten Absorber für das durch hunderte bis tausende von einzelnen Spiegeln mit zu ihm gespiegelte Sonnenlicht, womit die Strahlungsenergie der Sonne über die vielen Spiegel bzw. Konzentratoren im Absorber konzentriert und so Temperaturen bis zu 1300° C er- reicht werden sollen, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Maschinen (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, können jedoch auch in einer Länge von
200m oder mehr ausgeführt werden. 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. Photovoltaische Systeme können mit Photozellen ausgerüstet wer- den, die am Ort der Brennlinie angeordnet sind.
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 Temperatur 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 kon- zentrierte 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 Absorberlei- tung zusätzlich mit eine sie umgebenden (nicht oder wenig isolierenden) mechanischen
Schutzrohr versehen werden, das zwar mit einer Öffnung für die einfallende Sonnenstrahlung 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. Entsprechend erscheint es zunehmend interessant, Rinnenkollektoren nicht nur für die thermische Nutzung des Sonnenenergie, sondern auch für die photovoltaische Nutzung bereit zu stellen. 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 September 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 (thermische) 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 Wirkungsgrad 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.
Für photovoltaische Stromerzeugung gelten die Überlegungen zur Konzentration analog, da bei höherer Konzentration mehr Strom erzeugt werden kann. 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 eine Konzentration der Strahlung zu erreichen, die im Absorberrohr eine Temperatur von gegen 500°C ermöglicht, nicht aber eine noch einmal gestei- gerte Prozesstemperatur im Absorberrohr.
In der US 2010/0037953 wird deshalb vorgeschlagen, einen Rinnenkollektor mit Sekundärkonzentratoren auszurüsten. Dadurch wird die durch den Primärkonzentrator des Rinnenkollektors quer zu dessen Länge konzentrierte Strahlung noch einmal, diesmal längs konzentriert, mit der Folge dass der Länge des Rinnenkollektors nach eine Reihe von Brennpunkten erzeugt werden, in denen die Sonnenstrahlung höher konzentriert ist. Um dem Sonnenstand entsprechend die Sekundärkonzentratoren ausrichten zu können, sind diese mit einander synchron verschwenkbar ausgebildet. Die dargestellte Anordnung der Sekundärkonzentratoren ist von komplizierter Bauart und erlaubt nicht, die Kapazität des Primärkollektors für verschiedene Neigungswinkel der Sekundärkonzentratoren vollständig zu nutzen, da diese in gerader Stellung zwischen sich Lücken offen lassen, was ungenutzter Strahlung entspricht, oder, wenn lückenlos angeordnet, schon bei geringer Schrägstellung mit einander kollidieren. Dies hat einen verringerten Wirkungsgrad des ganzen Kollektors zur Folge, da einerseits durch die Lücken Strahlung nicht genutzt wird oder andererseits, bei minimierten Lücken, die Sekundärkonzentratoren nur ungenügend auf den Sonnenstand, d.h. dem skew angle entsprechend ausgerichtet werden können. Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rinnenkollektor mit
Sekundärkonzentratoren mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sonnenkollektor mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und 13, sowie durch einen Sekundärkonzentrator mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 16. Dadurch, dass der Verschwenkbereich der Sekundärkonzentratoren von einem positiven Winkelbereich über die Vertikale in den negativen Winkelbereich erstreckt, und die vom Primärkonzentrator reflektierte Strahlung in allen Winkelstellungen vollständig erfasst werden kann, kann die vom Primärkonzentrator reflektierte Strahlung praktisch zu jeder Tageszeit vollständig genutzt werden.
Dadurch, dass die längs konzentrierenden Wände der Sekundärkonzentratoren Sekundärkonzentratoren im Eintrittsbereich der Strahlung verschiedene Länge aufweisen, derart, dass eine längere reflektierende Wand eines Sekundärkonzentrators jeweils ne- ben einer kürzeren reflektierenden Wand des benachbarten Sekundärkonzentrators liegt, steht eine einfache Konstruktion zur Verfügung, welche die Aufgabe der vorliegenden Erfindung löst.
Dadurch, dass die Sekundärkonzentratoren der Länge des Primärkonzentrators nach in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei jede Reihe von Sekundärkonzentratoren auf einen ihr zugeordneten Längenabschnitt des Primärkonzentrators ausgerichtet ist, ergibt sich zusätzlich eine Steigerung des Wirkungsgrads. Obschon damit die Sekundärkonzentratoren in Querrichtung weniger Strahlung aufnehmen, können sie mit einem in Längsrichtung geringeren Akzeptanzwinkel ausgebildet werden, was die Konzentration als solche verbessert und damit den Wirkungsgrad der Anordnung erhöht.
Die Anordnung der Sekundärkonzentratoren in mehreren Reihen ist in ihrer Wirkung unabhängig von der erfindungsgemässen Ausbildung der Sekundärkonzentratoren betreffend ihrer Verschwenkbarkeit, aber synergistisch für einen optimalen Wirkungsgrad.
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und anhand der Figuren näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. la schematisch einen Rinnenkollektor gemäss dem Stand der Technik, mit einer Druckzelle, Fig. lb schematisch einen Rinnenkollektor gemäss Fig. la, der Sekundärkonzentratoren aufweist,
Fig. lc schematisch in einer Ansicht den wechselnden Einfallswinkel der Sonne darstellt,
Fig. ld ein Diagramm, das den wechselnden Einfallswinkel darstellt,
Fig. le schematisch einen Längsschnitt durch den Kollektor von Fig. la
Fig. 2a einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Rinnenkollektor,
Fig. 2b vergrössert den gestrichelten Bereich von Fig. 2a,
Fig. 3a den Ausschnitt von Figur 2a in einer anderen Verschwenklage der Sekundärkonzentratoren entsprechend einem Einfallswinkel S der Sonnenstrahlung,
Fig. 3b den Ausschnitt von Figur 2a in einer weiteren Verschwenklage der Sekundärkonzentratoren entsprechend einem Einfallswinkel S der Sonnenstrahlung,
Fig. 4 eine dreidimensionale Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Primärkonzentrators,
Fig. 5 eine dreidimensionale Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Primärkonzentrators mit einer zugeordneten Photozelle,
Fig. 6 eine dreidimensionale Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Primärkonzentrators mit einer Verschwenkanordnung für die Verschwenkung gegenüber dem Primärkonzentrator, und Fig. 7 einen Querschnitt durch eine Druckzelle eines erfindungsgemässen Rinnenkol- lektrors mit Sekundärkonzentratoren, die jeweils einem Längsabschnitt des Pri- märkonzentrators zugeordnet sind. Figur la 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 auf- gespannten 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. Ebenso können generell an Stelle eines Absorberrohrs Photovoltaische Zellen vorgesehen werden. 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 Spie- geln) ausgebildet sind und vom Fachmann für den konkreten Anwendungsfall leicht bestimmt werden können.
Figur lb zeigt einen Rinnenkollektor mit Sekundärkonzentratoren. Ein grundsätzlich wie der Kollektor 1 von Figur la ausgebildeter Kollektor 10 weist einen Konzentrator 11 und ein an Stützen 8 gelagertes Absorberrohr 12 auf. Sonnenstrahlen 5 fallen auf den Pri- märkonzentrator 11 und werden von diesem als Strahlen 6 reflektiert. Durch die konkrete Ausbildung des Konzentrators 11 ergibt sich ein Strahlungspfad für reflektierte Strahlung, der durch die Strahlen 6 repräsentiert ist. 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 konzentriert in einer ersten Richtung, nämlich in Querrichtung 17.
Der Strahlungspfad des Konzentrators 11 weist einen Brennlinienbereich bzw. eine Fo- kaiebene auf, notwendigerweise, 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 Konzentrators für eine theoretisch soweit wie möglich angenäherte Brennlinie mit vernünftigem Kostenaufwand nicht machbar ist.
In der Figur plattenförmig ausgebildete, für konzentrierte Strahlung transparente optische Elemente 20 sind Bestandteil eines Sekundärkonzentrators und sind im ersten Strahlungspfad des Konzentrators 11 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 in einer zweiten Richtung, nämlich in
Längsrichtung 16 derart, dass die Strahlung 6 nach den optischen Elementen 20 in Brennpunktbereiche 21 konzentriert wird. In der Figur sind eine der Länge des Sonnen- kollektors entsprechende Anzahl optischer Elemente 20 (und damit Sekundärkonzentra- toren) dargestellt und deren Brennpunktbereiche beispielhaft bei zwei optischen Elementen 20 eingezeichnet. Zu den Sekundärkonzentratoren gehören hier beispielsweise noch Träger 22, die am Absorberrohr 12 festgelegt sind und an denen die optischen Elemente 20 in Position gehalten werden.
Das hier als Absorberrohr 12 ausgebildetes Absorberelement befindet sich am Ort der Brennpunktbereiche 21 und besitzt eine Anzahl thermische 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. Am Ort der thermischen Öffnungen 23 können auch photovoltaische Zellen angeordnet werden.
Figur lc zeigt schematisch die Lage des in der Richtung Nord-Süd ausgerichteten Primär- konzentrator 11 in Bezug auf die Sonne, die vom Morgen bis zum Abend auf ihrer Bahn 30 läuft. Entsprechend der Ansicht von Figur lc ist der Konzentrator 11 am Morgen nach links geneigt, d.h. nach Osten und am Abend nach rechts, d.h. nach Westen (die entsprechende Verschwenkung des Konzentrators 11 ist durch den in der Figur eingetragenen Doppelpfeil D angedeutet). Je nach Standort und Saison verläuft dabei die Bahn 30 der Sonne höher oder tiefer über den Himmel, so dass ein Sonnenstrahl 31 schräg auf den auf die Sonne ausgerichteten Konzentrator 11 fällt. Der Einfallswinkel S zwischen dem Sonnenstrahl 31 und der Normalen N auf den Konzentrator 11 ist als skew - angle S bekannt. Die Normale N steht senkrecht auf der tiefsten Mantellinie des Konzentrators 11. Figur ld zeigt ein Diagramm, in dem horizontal die Tageszeit (morgens - mittags - abends) und ein zugehöriger skew-angle (Winkel S) dargestellt ist. Typischerweise liegt der skew - angle oder Einfallswinkel S im Winter zwischen beispielsweise 20° und 50° (Kurve A), im Sommer zwischen minus 20° und plus 70° (Kurve B). Daraus ergibt sich die Forderung, dass die Sekundärkonzentratoren entsprechend mit einander synchron verschwenkbar im Rinnenkollektor angeordnet sind, so dass sie über Tag bei wechselndem Sonnenstand stets der einfallenden Strahlung 31 gemäss ausgerichtet werden können.
Figur le zeigt einen Längsschnitt durch den Konzentrator 11, mit Sicht auf dessen östliche Hälfte. Dargestellt ist ein Sonnenstrahl 32, der über mit einem skew - angle S von ca. 50° auf den Konzentrator 11 einfällt und als reflektierter Strahl 32' im gleichen Winkel zur Normalen N reflektiert wird. Weiter ist ein zweiter Sonnenstrahl 33 dargestellt, der mit einem skew - angle S von ca. minus 20° einfällt und als Strahl 33' reflektiert wird. Die Strahlen 32' und 33' begrenzen beispielhaft den Verschwenkbereich, der für optimierte Sekundärkonzentratoren erforderlich ist.
Figur 2a zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgmässen Rinnen- kollektor 40, entsprechend z.B. einem Kollektor gemäss den Figuren la bzw. lb, wobei zur Entlastung der Figur nur ein Ausschnitt aus der Mitte des Kollektors 40 dargestellt und dessen Enden weggelassen sind.
An Stelle eines Absorberrohrs 12 (Figur lb) sind erfindungsgemäss Sekundärkonzentra- toren 41 mit einem photovoltaischen Element vorgesehen, mit einem Eintrittsbereich
42 und einem Austrittsbereich 43. Durch den Konzentrator 11 werden die einfallenden Sonnenstrahlen 43 in Querrichtung 17 konzentriert und gelangen im Eintrittsbereich 42 als reflektierte Sonnenstrahlen 43' in den jeweiligen Sekundärkonzentrator 41, der seinerseits die Sonnenstrahlen 43' noch einmal in Längsrichtung 16 konzentriert, so dass in seinem Austrittsbereich 44 ein Brennpunktbereich für die nun einmal längs und einmal quer konzentrierte Sonnenstrahlung entsteht.
Zur Konzentration in Längsrichtung 16 besitzt jeder Sekundärkonzentrator 41 eine erste reflektierende Wand 45 und eine zweite reflektierende Wand 46 für die in ihn eintre- tende Strahlung 42'. Erfindungsgemäss weisen die erste und die zweite reflektierende
Wand 45, 46 der Sekundärkonzentratoren 41 im Eintrittsbereich 42 der Strahlung verschiedene Länge auf, derart, dass eine längere reflektierende Wand eines Sekundärkon- zentrators jeweils neben einer kürzeren reflektierenden Wand des benachbarten Se- kundärkonzentrators liegt.
Figur 2b zeigt vergrössert einen Ausschnitt entsprechend dem gestrichelten Bereich 47 von Figur 2a.
Dargestellt sind zwei neben einander liegende Sekundärkonzentratoren 41, beide parallel zur Normalen N (Figur 2a) ausgerichtet. Weiter ersichtlich ist, dass hier die zweite Wand 46 länger ausgebildet ist als die erste Wand 45, wobei der Abstand der Sekundär- konzentratoren derart bemessen ist, dass die untere Kante 48 der längeren Wand 46 die untere Kante 49 der kürzeren Wand 45 beschattet, wenn die reflektierte Strahlung 42' ebenfalls parallel zur Normalen N in die Sekundärkonzentratoren 41 einfällt. Dies wird durch die gestrichelte Linie 50 verdeutlicht. Dadurch besteht für die durch den Konzentrator 11 reflektierte Strahlung 43' keine Lücke zwischen den Sekundärkonzentratoren 41. Diese sind damit derart ausgebildet und angeordnet, dass sie im Betrieb die vom
Konzentrator reflektierte Strahlung über den ganzen Verschwenkbereich vollständig erfassen.
Figur 3a zeigt nun die erfindungsgemässe Anordnung, nämlich einen Konzentrator 11 mit ihm zugeordneten Sekundärkonzentratoren 41 bei einem Einfall der Sonnenstrahlen
32 unter einem skew - angle S von 50°. Die Sekundärkonzentratoren sind diesem Winkel entsprechend verschwenkt. Die längeren Wände 46 ragen in die Eintrittsbereiche 42 der benachbarten Sekundärkonzentratoren 41 hinein. Mit anderen Worten ist es so, dass durch die kürzeren Wände 45 der Platz für die längeren Wände 46 frei ist, was die Ver- Schwenkung der Sekundärkonzentratoren 41 überhaupt ermöglicht. Auch in dieser Ver- schwenklage gibt es keine Lücke zwischen den Sekundärkonzentratoren 41 für reflektierte Strahlung 32', so dass diese wiederum alle vom Konzentrator 11 reflektierten Strahlen erfassen. Figur 3b zeigt die erfindungsgemässe Anordnung unter einem skew - angle S von minus
20°. Dabei schlagen zwar die längeren Wände 46 der Sekundärkonzentratoren 41 jeweils an einer kürzeren Wand 45 eines benachbarten Sekundärkonzentrators 41 an, was den Verschwenkbereich auf einen skew - angle S von minus 20° limitiert, was wiederum gemäss den zu erwartenden Einfallswinkeln S (s. Figur ld) genügend ist. Auch in dieser Verschwenklage gibt es keine Lücke zwischen den Sekundärkonzentratoren 41 für reflektierte Strahlung 33', so dass diese wiederum alle vom Konzentrator 11 reflektierten Strahlen erfassen.
Figur 4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemässen Sekundärkon- zentrators 41 mit seiner ersten längeren Wand 46, der zweiten kürzeren Wand 45 und zwei Seitenwänden 55 und 56.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste kürzere 45 und die zweite längere 46 reflektierende Wand des Sekundärkonzentrators als Compound parabolic concentra- tor ausgebildet, der als solcher dem Fachmann bekannt ist. Ein Compound parabolic concentrator besitzt einen Akzeptanzwinkel AW, bei welchem innerhalb dieses Winkels θίη eintretende Strahlung an einer Wand 45, 46 nur einmal reflektiert und dann aus dem
Austrittsbereich 43 unter dem Winkel Gout abgegeben wird. Weiter bevorzugt besitzen die kürzere Wand 45 und die längere Wand je dieselben Werte für 9in und 60ut , d.h. die kürzere Wand 45 entspricht in ihrem Profil der längeren Wand 46, welcher der entsprechende Abschnitt weggeschnitten worden ist.
Der Fachmann kann nun im konkreten Fall den erfindungsgemässen Sekundärkonzent- rator derart auslegen, dass einerseits die gewünschte Sekundärkonzentration in Längsrichtung eintritt und andererseits durch den Unterschied in der Länge der beiden längs konzentrierenden Wände die Verschwenkbarkeit im konkret notwendigen Mass gege- ben ist.
Insbesondere sei erwähnt, dass durch den Öffnungswinkel der Sonne 9in mindestens bei 0,5° liegen muss. Durch Abweichungen des Konzentrators von der idealen Parabelform ergeben sich Fehler in der idealen Konzentration, so dass θ,η bevorzugt zwischen 5° und 10° liegt. Für 90ut kann ein geeigneter Wert vom Fachmann gewählt werden, der unter anderem abgestimmt ist auf eine beim Austrittsbereich 43 angeordnete Photozelle oder thermische Öffnung eines Absorberrohrs. Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die Sekundärkonzentratoren 41 Mittel zur weiteren Konzentration der einfallenden Strahlung in ersten, der Querrichtung 17 (Figur la und lc) auf. Bevorzugt sind dazu eine dritte reflektierende Wand 55 und eine vierte reflektierende Wand 56 vorgesehen, die sich gegenüberliegen, und die als hyperbolic concentrator ausgebildet sind. Erfindungsgemäss ist auch, die dritte Wand 55 und die vierte Wand 56 als wedge concentrator auszubilden. Sowohl ein hyperbolic concentrator als auch ein wedge concentrator sind als solche dem Fachmann bekannt, der diese im konkreten Fall geeignet auslegen kann.
Beispielsweise kann bei einer Breite des Primärkonzentrators 11 von 4,8 m und einem Öffnungswinkel von 150° für die primär konzentrierte Strahlung eine Konzentration von 55 Sonnen erreicht werden, wenn die Breite (Querrichtung 17) des Eintrittsbereichs 42 (Figur 4) des Sekundärkonzentrators 41 entsprechend gewählt wird. Legt der Fachmann dann den Sekundärkonzentrator 41 auf eine Sekundärkonzentration von 10 in Längsrichtung 16 aus, ergibt sich eine gesamte Konzentration von 550 Sonnen. Diese kann durch eine Querkonzentration (s. oben) zusätzlich verbessert werden.
Figur 5 zeigt eine weitere, bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Se- kundärkonzentratoren 60, die an ihrem Austrittsbereich 43 je mit mindestens einer pho- tovoltaischen Zelle 61 fest verbunden, die ihrerseits in einem Gehäuse 62 angeordnet ist, wobei das Gehäuse 62 wiederum Lagerzapfen 63 besitzt, an denen es verschwenkbar gegenüber dem Konzentrator 11 gelagert werden kann. Dadurch ist einerseits die mindestens eine Photozelle gegenüber dem Brennpunktbereich, erzeugt durch den Se- kundärkonzentrator 60, fixiert und andererseits eine einfache Aufhängung für die Sekundärkonzentratoren 60 selbst im Rinnenkollektor gegeben.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Sekundärkonzentratoren 41,60 gegenüber dem Primärkonzentrator 11 derart angeordnet, dass der Brennlinien- bereich des Primärkonzentrators in der Vertikalstellung der Sekundärkonzentratoren
41,60 oberhalb der Höhe der Eintrittskante 48 der längeren 46 der reflektierenden Wände liegt, die in der zweiten, Längsrichtung konzentrieren, und auf der Höhe oder unterhalb der Höhe der Eintrittskante 49 der kürzeren 45 dieser Wände liegt. Grundsätzlich wird ein Sekundärkonzentrator, insbesondere auch ein als Compound parabolic concentrator ausgebildeter Sekundärkonzentrator, derart angeordnet, dass der Brennlinienbereich bzw. die Fokalebene des Primärkonzentrators an der unteren Kante der re- flektierenden Wände liegt. Nun übernimmt beim vorliegenden, erfindungsgemäss asymmetrisch ausgebildeten Sekundärkonzentrator 41,60 die längere Wand 46 den grösseren Anteil an zu konzentrierender Strahlung. Entsprechend ist davon auszugehen, dass die Fokalebene für eine optimale Konzentration am Ort der unteren Kante 48 der längeren Wand 46 liegen muss. Überraschenderweise hat es sich jedoch gezeigt, dass dem nicht so ist, und die Fokalebene für einen optimalen Wirkungsgrad des Rinnenkollektors höher anzuordnen ist.
Für den Fall, dass der Sekundärkonzentrator zusätzlich einen Querkonzentrator aufweist, ist der Brennlinienbereich bzw. die Fokalebene des Primärkonzentrators 11 in der Vertikalstellung der Sekundärkonzentratoren oberhalb der Höhe der Eintrittskante 48 der längeren 46 der Wände liegt, die in der zweiten Querrichtung 17 konzentrieren und auf der Höhe oder unterhalb der Höhe des Eintrittsbereichs der Mittel zum Konzentrieren der Strahlung in der ersten Richtung, d.h. bevorzugt eines hyperbolic oder wedge concentrators.
Figur 6 zeigt beispielhaft einen Sekundärkonzentrator 70, der um eine Verschwenkachse 71 verschwenkbar ist, die in Vertikalposition des Sekundärkonzentrators auf der Höhe der Eintrittskante der kürzeren der Wände liegt, die in der zweiten Richtung konzentrieren. Dies wird durch hier als Verschwenkzapfen 72 ausgebildete Mittel ermöglicht, an denen der Sekundärkonzentrator 70 gegenüber dem Primärkonzentrator 11 verschwenkbar gelagert werden kann.
Figur 7 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch die Druckzelle 80 eines Rinnenkollektors 80, die gemäss der WO 2010/037243 ausgebildet ist.
Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind mehrere Sekundärkonzentratoren 81,82 in Querrichtung 17 neben einander vorgesehen, wobei jeder der ne- ben einander liegenden Sekundärkonzentratoren 81,82 reflektierte Strahlung aus einem zugeordneten Längenabschnitt 83,84 des Primärkonzentrators 85 empfängt. Zur Entlastung der Figur ist nur die rechte Seite der Anordnung vollständig dargestellt, zu der die linke, nur angedeutete Seite betreffend der Symmetrieachse 86 symmetrisch ist. Obschon diese Anordnung für die Querkonzentration relevant erscheint, lässt sich überraschenderweise die Längskonzentration verbessern: Auf Grund der gewölbten Oberfläche des Primärkonzentrators 85 ergibt sich, dass der Akzeptanzwinkel 9in für die Sekundärkonzentration in Längsrichtung verkleinert werden kann, wenn die vom Sekun- därkonzentrator erfasste Breite des Primärkonzentrators kleiner ist. Als Grundregel ist dem Fachmann bekannt, dass insbesondere bei einem Compound parabolic concentra- tor ein kleinerer Akzeptanzwinkel Oin zu einer höheren Konzentration führt. Vorliegend bedeutet dies, dass sich der Wirkungsgrad des Rinnenkollektors durch im Querschnitt neben einander liegende Sekundärkonzentratoren weiter verbessert. Die Anmelderin hat gefunden, dass dann der Akzeptanzwinkel für die Längskonzentration in folgenden Bereichen gehalten werden kann: im Eintrittsbereich zwischen 0,5° und 10°, bevorzugt zwischen 3° und 10°, besonders bevorzugt zwischen 5° und 10°, ganz bevorzugt zwischen 4° und 5° liegt und wobei weiter bevorzugt konzentrierte Strahlung in einem Winkel von maximal 70° austritt. Diese Werte hängen ab von der Qualität des Primärkonzentrators und können mit bestem Wirkungsgrad des Sekundärkonzentrators bei einem beispielsweise nach Figur 7 ausgebildeten Primärkonzentrator auf 4° bis 5° reduziert werden.
Da einmal die Sekundärkonzentratoren der Länge des Primärkonzentrators nach hinter einander liegen (Figur lb) und dann noch Sekundärkonzentratoren erfindungsgemäss in
Querrichtung 17 neben einander angeordnet sind, ergibt sich, dass die Sekundärkonzentratoren der Länge des Primärkonzentrators nach in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei jede Reihe von Sekundärkonzentratoren auf einen ihr zugeordneten, Längenabschnitt des Primärkonzentrators ausgerichtet ist.
Diese Anordnung ist natürlich nicht nur bei einem Primärkonzentrator, ausgebildet gemäss Figur 7 (d.h. entsprechend der Offenbarung von WO 2010/037243) anwendbar, sondern in Zusammenhang mit rinnenförmigen Primärkonzentratoren beliebiger Bauart. Hingegen ist es bei einer weiteren Ausführungsform besonders vorteilhaft, für die in einem Primärkonzentrator gemäss WO 2010/037243 gebildeten Längsabschnitte mit verschiedener Krümmung in Querrichtung gesehen für jeden Längenabschnitt eigene Se- kundärkonzentratoren vorzusehen. Bei der in Figur 7 dargestellten Anordnung mit zwei
Mal vier Längenabschnitten könnten so je nach Auslegung des erfindungsgemässen Rinnenkollektors zwei bis acht Reihen von Sekundärkonzentratoren vorgesehen werden.
Entsprechend ergibt sich, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform, dass der Primär- konzentrator aus einer Anzahl bereichsweise auf einander liegenden, druckbeaufschlagten Folien besteht und Bereiche mit verschiedener Krümmung aufweist, wobei und eine oder mehrere dieser Bereiche einen Längenabschnitt bilden.

Claims

1. Rinnenkollektor mit einer Anzahl von Sekundärkonzentratoren welche die vom Konzent- rator des Rinnenkollektors in einer ersten Richtung quer zu dessen Länge konzentrierte Sonnenstrahlung in einer zweiten, längs zu ihm verlaufenden Richtung konzentrieren, wobei die Sekundärkonzentratoren jeweils eine erste, vordere reflektierende Wand und eine zweite hintere reflektierende Wand aufweisen, welche die Strahlung in der zweiten
Richtung konzentrieren, und wobei die Sekundärkonzentratoren miteinander synchron verschwenkbar, vorzugsweise je um eine gegenüber dem Primärkonzentrator fixierte Verschwenkachse angeordnet sind, derart, dass sie bei wechselndem Sonnenstand stets der einfallenden Strahlung gemäss ausgerichtet werden können, dadurch gekennzeich- net, dass die erste und die zweite reflektierende Wand der Sekundärkonzentratoren im
Eintrittsbereich der Strahlung verschiedene Länge aufweisen, derart, dass eine längere reflektierende Wand eines Sekundärkonzentrators jeweils neben einer kürzeren reflektierenden Wand des benachbarten Sekundärkonzentrators liegt.
Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite reflektierende Wand des Sekundärkonzentrators als Compound parabolic concentrator ausgebildet sind.
3. Rinnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der Verschwenkbereich über die Vertikale in den negativen Winkelbereich erstreckt, bevorzugt bis - 5°, besonders bevor- zugt bis -10°, und ganz bevorzugt bis -20°, .
4. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Sekundärkonzentratoren Mittel zur weiteren Konzentration der einfallenden Strahlung in der ersten Richtung aufweisen. 5. Rinnenkollektor nach Anspruch 4, wobei die Mittel zur weiteren Konzentration in der ersten Richtung eine dritte reflektierende Wand und eine vierte, der dritten Wand gegenüberliegende reflektierende Wand aufweisen, die als hyperbolic concentrator ausgebildet sind. 6. Rinnenkollektor nach Anspruch 4, wobei die Mittel zur weiteren Konzentration in der ersten Richtung einen wedge concentrator aufweisen.
7. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Austrittseite der Sekundärkonzentratoren je mit mindestens einer photovoltaischen Zelle fest verbunden sind.
8. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Sekundärkonzentratoren an der mindestens einen photovoltaischen Zelle aufgehängt sind, welche bevorzugt ihrerseits gegenüber dem Konzentrator verschwenkbar gelagert ist.
9. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei der Brennlinienbereich des Konzentrators in der Vertikalstellung der Sekundärkonzentratoren oberhalb der Höhe der Eintrittskante der längeren der reflektierenden Wände liegt, die in der zweiten, Längsrichtung konzentrieren, und auf der Höhe oder unterhalb der Höhe der Eintrittskante der kürzeren dieser Wände liegt.
10. Rinnenkollektor nach Anspruch 4 wobei der Brennlinienbereich des Konzentrators in der Vertikalstellung der Sekundärkonzentratoren oberhalb der Höhe der Eintrittskante der längeren der Wände liegt, die in der zweiten Richtung konzentrieren und auf der Höhe oder unterhalb der Höhe des Eintrittsbereichs der Mittel zum Konzentrieren der Strahlung in der ersten Richtung liegt. 11. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Sekundärkonzentratoren je um eine Ver- schwenkachse verschwenkbar sind, die in Vertikalposition des Sekundärkonzentrators auf der Höhe der Eintrittskante der kürzeren der Wände liegt, die in der zweiten Richtung konzentrieren. 12. Rinnenkollektor mit einem Primärkonzentrator, der einfallende Sonnenstrahlung in einer ersten Richtung quer zur Länge des Rinnenkollektors konzentriert und mit Sekundärkonzentratoren, welche die in der ersten Richtung konzentrierte Strahlung in einer zweiten, längs zum Primärkonzentrator verlaufenden Richtung auf Photozellen konzentrieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärkonzentratoren der Länge des Primärkonzentrators nach in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei jede Reihe von
Sekundärkonzentratoren auf einen ihr zugeordneten, Längenabschnitt des Primärkonzentrators ausgerichtet ist.
13. Rinnenkollektor nach Anspruch 12, wobei der Primärkonzentrator aus einer Anzahl bereichsweise auf einander liegenden, druckbeaufschlagten Folien besteht und Bereiche mit verschiedener Krümmung aufweist, wobei und eine oder mehrere dieser Bereiche einen Längenabschnitt bilden.
14. Sekundärkonzentrator für einen Rinnenkollektor, mit zwei einander gegenüberliegenden reflektierenden Wänden, die für in den zwischen ihnen liegenden Raum eintretende Strahlung einen Compound parabolic concentrator bilden, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich eine der Wände gegenüber der anderen Wand verlängert ausgebildet ist und auch im überstehenden Abschnitt das Profil des Compound parabolic con- centrators fortsetzt.
15. Sekundärkonzentrator nach Anspruch 14, wobei am Austrittsbereich mindestens eine photovoltaische Zelle angeordnet ist
16. Sekundärkonzentrator nach Anspruch 14, wobei der Raum zwischen den reflektierenden Wänden seitlich durch weitere reflektierende Wände begrenzt ist, die für die eintretende Strahlung einen hyperbolic concentrator oder eine wedge concentrator bilden, dessen Konzentrationsrichtung quer zur Konzentrationsrichtung des Compound parabolic concentrators verläuft.
17. Sekundärkonzentrator nach Anspruch 14, wobei Mittel vorgesehen sind, um ihn verschwenkbar zu lagern, wobei die Verschwenkachse auf der Höhe der kürzeren Wand des Compound parabolic concentrators liegt und parallel zu ihrer unteren Kante angeordnet ist.
18. Sekundärkonzentrator nach Anspruch 17, wobei Mittel vorgesehen sind, um ihn verschwenkbar zu lagern, wobei die Verschwenkachse auf der Höhe der mindestens einen photovoltaischen Zelle liegt.
19. Sekundärkonzentrator nach Anspruch 1 oder 14, wobei der Akzeptanzwinkel im Eintrittsbereich zwischen 0,5° und 10° bevorzugt zwischen 3° und 10°, besonders bevorzugt zwischen 5° und 10°, ganz bevorzugt zwischen 4° und 5° liegt und wobei weiter bevorzugt konzentrierte Strahlung in einem Winkel von maximal 70° austritt.
20. Rinnenkollektor mit einer Anzahl von Sekundärkonzentratoren welche die vom Konzent- rator des Rinnenkollektors in einer ersten Richtung konzentrierte Sonnenstrahlung in einer zweiten Richtung konzentrieren, wobei die Sekundärkonzentratoren synchron um eine feste Verschwenkachse verschwenkbar angeordnet sind, derart, dass sie bei wech- selndem Sonnenstand stets der einfallenden Strahlung gemäss ausgerichtet werden können, bis sie am Ende des Verschwenkbereichs an einander anschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verschwenkbereich von einem positiven Winkelbereich über die Vertikale in den negativen Winkelbereich erstreckt, wobei die Sekundärkonzentratoren derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie im Betrieb die vom Konzentrator reflektierte Strahlung über den ganzen Verschwenkbereich vollständig erfassen.
21. Rinnenkollektor nach Anspruch 20 mit den Merkmalen eines oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13.
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