WO2015123788A1 - Solar concentrator - Google Patents

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WO2015123788A1
WO2015123788A1 PCT/CH2015/000027 CH2015000027W WO2015123788A1 WO 2015123788 A1 WO2015123788 A1 WO 2015123788A1 CH 2015000027 W CH2015000027 W CH 2015000027W WO 2015123788 A1 WO2015123788 A1 WO 2015123788A1
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WO
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concentrator
function
absorber
concave
segments
Prior art date
Application number
PCT/CH2015/000027
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Cooper
Original Assignee
Airlight Energy Ip Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/82Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors characterised by the material or the construction of the reflector
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/74Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
    • F24S23/745Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces flexible
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S2023/83Other shapes
    • F24S2023/833Other shapes dish-shaped
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention relates to a concentrator according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a concentrator according to claim 8.
  • Solar collectors with concave concentrators are mainly used in solar power plants. These are known to the person skilled in the art, they produce heat which is continuously converted into a recycling unit downstream of the solar field, for example by a turbine arrangement into electricity. On the other hand, the heat can also be used in an industrial process of any kind requiring the supply of heat.
  • the solar radiation concentrated by the solar collector can also be used photovoltaically.
  • the absorber unit can be equipped with photovoltaic cells.
  • Dish systems are equipped with paraboloid-shaped mirrors that focus the sunlight onto a focal point where a heat receiver is located.
  • the mirrors are rotatably mounted biaxially in order to be able to follow the current position of the sun and have a diameter of a few meters up to 10 m and more, which then achieves powers of up to 50 kW per module.
  • a Sterling engine installed on the heat receiver converts the thermal energy directly into mechanical work, which in turn generates electricity.
  • a photovoltaic module can also be provided at the location of the heat receiver.
  • 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 can be achieved, which for the efficiency of the downstream thermal machines (usually a steam or fluid turbine power plant for power generation) is low.
  • California Solar has a capacity of several MW.
  • Parabolic trough power plants have a large number of collectors which have long concentrators with a comparatively small transverse dimension, and thus do not have a focal point but a focal line or a focal line area. These line concentrators today have a length of 20 m to 250 m.
  • an absorber tube for the concentrated heat which transports to the power plant.
  • a photovoltaic device can be provided.
  • a transport medium for heat is for example thermal oil or superheated steam in question, or even air.
  • the temperatures achievable in the absorber tube are increased, from 400 ° C now generally to around 500 ° C, with 600 ° C or even more, for example 650 ° C sought and kept realistic in the near future. Higher temperatures than those are important, as this can increase the efficiency in the downstream technical process.
  • higher concentrations of light are important for photovoltaic exploitation.
  • Parabolic trough power plants are becoming increasingly popular, with heat produced to varying degrees, for example the Martin Next Generation Solar Energy Center in Florida, which delivered 89 ⁇ 00 MWh of solar energy in 2012.
  • the pa rabeiförmige cross section of the solar panels is basically suitable to deliver high concentrations (which, as also mentioned, are also desirable or necessary in photovoltaic applications) and thus also the desired, above-mentioned higher temperatures in the absorber area.
  • channel concentrators with a geometric concentration of more than 60 are still technically demanding and correspondingly expensive to produce.
  • a real concentrator with high concentration (in the following statements, the geometric concentration C g is always meant), but at the same time can be produced at relatively low cost, is proposed in WO 2010/037243.
  • it is disclosed to approximate the parabolic cross-section of a target concentrator by spherical or arcuate, adjacent segments of a reflective membrane, which allows to achieve the desired, higher concentrations by a comparatively favorable construction.
  • the approximation of the parabolic shape by spherical segments leads inter alia to spherical aberration, ie to a deterioration compared to the concentration which can be achieved per se by a parabola.
  • the object of the present invention to provide a concentrator for a solar collector, which at realistic costs in industrial use (for example, production in large quantities or with large dimensions), but also in small or very small applications, still further improved concentration allowed.
  • a concentrator having the characterizing features of claim 1 and by a method for producing such a concentrator.
  • a method for producing such a concentrator results, with which, inter alia, for the production optimized forms of the concentrator can be realized. The invention is explained below with reference to the figures.
  • FIG. 1 a schematically shows a conventional trough collector with a pressure-loaded concentrator membrane
  • FIG. 1b shows a cross section through the concentrator arrangement for a single-reflector solar collector according to the prior art, with parabolic cross-section
  • FIG. 2a shows a cross-section through a concentration arrangement with a flat absorber
  • FIG. 3 b shows a diagram of the slope of the concentrator of FIG.
  • FIG. 3c shows a diagram of the differential function u of the focal region of the concentrator of FIG. 3a
  • FIG. 4b shows a diagram of the slope of the concentrator of FIG. 4a
  • FIG. 4c shows a diagram of the differential function u of the focal zone of the concentrator of FIG. 4a
  • FIG. la shows a solar collector 1 (which is designed here as a trough collector) according to the prior art, as it has been disclosed by WO 2008/037108.
  • the solar collector 1 has a pressure cell 2, which has the shape of a cushion and is formed by an upper, flexible membrane 3 and a hidden in the figure, lower flexible membrane 4. Via a fluid channel 5, the pressure cell 2 is maintained under operating pressure, wherein further a fluid channel 6 is provided, the function of which is described in more detail with reference to Figure lb and the expert from WO 2008/037108 known.
  • the membrane 3 is permeable to sun rays 7, which fall inside the pressure cell 2 onto a concentrator membrane (for example a concentrator membrane 15 according to FIG. 1b or a simple, unsupported membrane) and are reflected by these as jets 7 ' to an absorber tube 9, in which a heat-transporting medium circulates and dissipates the heat concentrated by the collector.
  • a concentrator membrane for example a concentrator membrane 15 according to FIG. 1b or a simple, unsupported membrane
  • an absorber tube 9 in which a heat-transporting medium circulates and dissipates the heat concentrated by the collector.
  • the absorber tube 9 is held by supports 10 in the focal line region of the concentrator membrane 8.
  • the pressure cell 2 is clamped in a frame 11, which in turn is mounted according to the position of the sun pivotally mounted on a frame.
  • Frame and frame as such are known to the person skilled in the art and will be removed in the following figures for the purpose of relief. let or only schematically indicated.
  • the FIGURE shows a one-mirror system with a concentration arrangement which has a concentrator, namely the concentrator membrane 15 and a round absorber, here an absorber tube 9.
  • FIG. 1 b shows a cross-section through a further one-reflection concentration arrangement for a trough solar collector according to the prior art of the type shown in FIG. 1 a, wherein, however, the concentrator according to the invention of WO 2010/037243 is formed:
  • a concentrator membrane 15 is clamped under pressure in a pressure cell 16 during operation, wherein the operating pressure for the concentrator membrane 15 and for this associated clamping membrane 15 ', 15 "by a series of preferably designed as fans fluid pumps 16 to 19 is generated.
  • Membrane 15 concentrates solar radiation 7, 7 'on an absorber tube 20, which is functionally designed as a flat absorber because of its slot-shaped thermal opening 24.
  • the concentrator Membrane 15 arcuately curved, juxtaposed segments 21 to 23, which emulate a parabola, each of the segments rays concentrated in a focal line area, but coincide the focal line areas due to the simulated parabolic shape at the location of the absorber tube 20.
  • the concentrator membrane 15 extends continuously through the segments 21 to 23 and is, as mentioned, in segments on a clamping membrane, in the segment 23 on the two clamping membrane 15 ', 15 ", in the segment 22 on a clamping membrane 15', in the segment 21, it is guided freely without it resting on a tensioning membrane
  • the person skilled in the art knows the structure of this arrangement from WO 2010/037243.
  • a pressure-loaded membrane does not form exactly spherical or arcuate, but only almost, wherein the assumed shape for rotationally symmetric membrane by the Henky - function is described.
  • the Henky function shows a slightly greater deflection in the edge zones and somewhat weaker center deflection, the term "circular arc" is always used in the present description because the deviation of a circular arc from, for example, the Henky function, in particular Is negligible with respect to the geometric concentration of an on - mirror concentrator.
  • Figure 2a shows schematically the geometric relationships in a concentration arrangement 25 with a flat absorber 26, wherein to relieve the figure, only the right side 27 of a concave concentrator 28 and a part of the left side 29 of the concentrator and from the concentrator 28 illuminated from below, flat Absorber surface 30 is shown.
  • An axis of symmetry 31 divides the right, illustrated half 27 of the concentrator and the left, not shown half 28 and lies on the optical axis of the concentrator 28.
  • the absorber 26 shadows a portion 32 of the right 27 and left side 29 of the concentrator 28, the is indicated approximately by the dashed lines.
  • the concentrator assembly 25 is oriented such that central beams 32 from the center of the sun 33 (or parallel beams) parallel to the axis of symmetry 31, i. paraxial, incident on the concentrator 28. Edge rays 34,34 'of the sun fall with respect to the central rays 32 at the acceptance angle ⁇ , a.
  • the acceptance angle ⁇ is determined by the person skilled in the art for the design of the concentrator in a specific case, it may for example be 0.27 °, which corresponds to the radius of the solar disk, or be chosen larger, if radiation from the corona of the sun also with should be detected, or if errors in alignment or other geometrical deviations are to be considered.
  • a coordinate system with the horizontal axis x and the vertical axis z has its origin on the absorber surface 30.
  • the concentrator has a general, concave cross section, which is described by the function z of the concentrator cross section.
  • the outermost point P 0 of the concentrator has the coordinates (x 0 , -z 0 ), a central ray 32 incident there is reflected into the point Q on the absorber surface 30, which due to the general function z does not lie on the axis of symmetry 31 either can.
  • the edge beams 34, 34 'incident in the point Q.sub.i are reflected in the points A and B on the absorber surface 30, respectively.
  • the rim angle ⁇ denotes the angle between the central ray 32 reflected from P 0 to the point O.
  • the rim angle ⁇ is used to determine the aperture width a, for a given function z.
  • the figure also shows that this is determined by ⁇ , and ⁇ : ⁇ , the cone of the reflected rays, starting from the outermost point P 0 , ⁇ , again determines the slope of the function z im Point P 0 , which determines the direction of the cone. If P 0 is varied, the width of the absorber surface 30 also changes. Since the geometric concentration C g is defined as the ratio of the aperture width a to the width of the absorber a 0 , in the variation of P 0 (always given a ⁇ ), the concentration C g remains constant. The geometric concentration C g remains the same if the system is enlarged or reduced by uniform stretching (geometric similarity)
  • the rim angle ⁇ and the acceptance angle ⁇ are thus the two parameters which characterize a concentration arrangement 25 with regard to the geometric concentration C g .
  • FIG. 2b shows a cross-section through a concentration arrangement 40 which corresponds to the concentration arrangement of FIG. 2a, with the exception of the here round absorber 41, which has the radius r 0 .
  • FIGS. 2 a and 2 b show cross sections through channel concentrators (2D concentrators), with a rotation about the axis of symmetry 31 resulting in dish concentrators (3D concentrators), which are likewise in accordance with the invention.
  • Equation (2) and (3) thus show the respective limit for the geometric concentration C g , taking into account the parameters ⁇ and 8j for concave concentrators.
  • the maximum concentration according to equations (2), (3) is always smaller than that of (1).
  • equation (2) describes this for a flat absorber
  • equation (3) for a round absorber.
  • equations equivalent to (2) and (3) have to be set up, which the person skilled in the art will be able to do analogously to the above equation. showed way for the flat and the round concentrator can do.
  • This also applies to the differential function u of the combustion region described below and its application for the determination of a function z of the concentrator cross section according to the invention.
  • a concave concentrator for a trough collector with a flat (or round) absorber surface is described herein as preferred embodiments, wherein, as mentioned, the invention also includes 3D concentrators and, for both, all imaginable embodiments of the absorber (ie not only flat or round ).
  • the function z of the concentrator cross section can now be determined according to the invention such that a corresponding concentrator can be produced in a simplified manner but nevertheless reaches the limit of equations (2) or (3) - or their equivalent equations for other embodiments of the absorber - which means in that a concentrator which can be produced in a simplified manner (or for other reasons with a different cross-section) can be optimally concentrated, ie not further improved with regard to the geometric concentration C g .
  • the geometric concentration C g has been determined by means of the point P 0 , ie without making sure that the concentrator over its entire reflecting surface, here in the interval [1, Xo], actually all in the range between ⁇ Q, incident rays within 2a 0 ( Figures 2a and 2b) concentrated on the absorber. But this is an implicit condition of etendue according to equation (1).
  • the differential function u of the focal region describes the location at which a beam incident on the general point P at an angle ⁇ in the concentrator z is reflected onto the absorber.
  • the differential inequalities (7) are abstract and do not show what a function z fulfilling this function looks like.
  • the parabola is a solution.
  • the focal length f 0 cot ⁇ I>
  • the focal point of which is the coordinates F (0, z 0 + x 0 cot ⁇ D) having. This determines the parabola and can be recorded: FIG.
  • a concentrator profile according to a general function z can correspondingly only reflect all the rays within the acceptance angle onto the absorber if z lies within the region B spanned by z R and z L , ie does not break it. If z lies in the region B, ie within z R , z L , the reflection of all rays within the acceptance angle to the absorber is possible, but not mandatory.
  • the parabola can be a solution of the differential inequalities (7) and thus enable maximum geometric concentration C g , as long as it captures all the rays within the acceptance angle for the absorber.
  • each function z whose derivative z 'lies in the region B' spanned by z ' R and z' L represents a solution of the differential inequalities (7), e.g.
  • a concentrator function z for maximum geometric concentration C g can be found by computationally determining a function z 'in the interval graphically or from z' R and z ' L and then numerically or, if possible, analytically integrated. (It should be noted that a function z whose derivative z 'leaves the interval P may still be a solution to the differential inequalities.)
  • a function assumed on whatever basis
  • equation (7) is used to determine if all rays are reflected on the absorber. If Equation (7) is satisfied, the concentrator reflects all the rays onto the concentrator, thus reaching the maximum concentration.
  • the presumed parabola is also a solution of equations (7) and allows maximum geometric concentration C g .
  • the parabola can serve as a reference for whether a non-parabolic function z describes a concentrator cross-section with maximum geometric concentration C g .
  • the parabola allows maximum geometric concentration - if a general concentrator concentrates equally well in comparison, it is a concentrator according to the invention.
  • the comparison must be an equivalent to the general concentrator, ie the parabola referred to here as the "reference parabola”, which can simply be determined from the geometry of the general concentrator.
  • the reference parabola can simply be determined from the geometry of the general concentrator.
  • its rim angle ⁇ can be measured and an acceptance angle ⁇ , known for this (or simply assumed), can be determined.
  • the reference parabola is determined, preferably this can be assumed with the same aperture width a.
  • the geometric concentration C g of the reference parabola can be determined - if the geometric concentration C g of the general concentrator z is equal to or essentially the same (for example manufacturing tolerances), the general concentrator z is a concentrator according to the invention. It is immaterial which absorber or which acceptance angle Q t is possibly accepted - the only essential is that they are then also used for the reference parabola. This comparison can be much simpler than the analysis of whether a generally shaped concave concentrator satisfies the differential inequalities (7).
  • the reference parabola can be easily determined from the structure of a general concentrator z, and thus (possibly assuming an equal absorber and acceptance angle ⁇ ,) of its geometric concentration C g .
  • a concave concentrator according to the invention is characterized in that it is not parabolic, but designed such that in operation its geometric concentration C g essentially corresponds to that of its reference parabola with absorber of the same design, which with the concave concentrator is parallel to the axis incident central rays of the sun has the acceptance angle ⁇ , and the rim angle ⁇ in common.
  • FIG. 3c shows a diagram on whose horizontal axis the span x of the concentrator with the concentrator cross-section z (FIG. x) and on whose horizontal axis the values for the differential function u of the combustion region are plotted.
  • These extreme solutions z R and z L must not exceed the values of -1 ⁇ u ⁇ 1 for our assumed function z to be checked, otherwise the differential inequalities (7) would not be satisfied, ie the assumed function z would describe a concentrator that does not allow maximum geometric concentration.
  • a concentrator with a cross-section of a general function z allows maximum geometric concentration when the extreme solutions z R and z L are in the ranges B g , that is, do not exceed the values of -1 ⁇ u ⁇ 1.
  • the result is an (analytical or numerical) method in which a possible function z (on whatever basis) is assumed and checked whether an extreme solution of the differential function u formed in z leaves the validity range B g , in which case z is rejected, otherwise but is used to form the concentrator.
  • a parabola z Pb that has its focal point in the origin. which is a solution of the differential inequalities (7) and extreme solutions z R and z L , which are based on equations (6a) and (6b).
  • the extreme solutions z R and z L describe a tilted parabola whose focal point lies at points A and B (FIGS. 2 a and 2 b).
  • the resulting curve is a parabola with the focal point in B whose axis is parallel to the - ⁇ , rays.
  • the same applies to the extreme right solution z R where a parabola with the focal point in A results, the axis of which is parallel to the + ⁇ rays.
  • the concentrator 100 is shown in cross section (part (a)), which is represented by a function z (x) is described.
  • the concentrator 100 is formed by arcuate segments 101, 102 and 103 bounded by the outermost point P 0 and the points Ni, N 2 and the innermost point N 3 . Two adjacent segments have a common point ⁇ or N 2 .
  • a point on the jth segment can be found by
  • equation (13) represents the curve z (x) of an arcuate segment of the concentrator to be determined
  • (13) can be used in equation (5), with the following for the jth segment:
  • ri Since ri is now determined, it is the first segment 101 as well, as soon as the value ⁇ , ⁇ ⁇ is selected for its parameter cp. For the minimum number of segments, the segment 101 should extend as far as possible, but must not violate the differential inequality (7). This is ensured by choosing ⁇ p in i SO such that u f
  • Ati As ( ⁇ Pin, i, - 9 -1 is not violated, ie the - ⁇
  • marginal ray 105 does not exceed the value for u -1, so that the first segment 101 is defined.
  • the subrange B N for the function z N is bounded by the location where the functions
  • the differential function u leaves the region B formed by the two extreme solutions of the function u (where u is placed here for the predetermined values of ⁇ ⁇ , and ⁇ ).
  • the expansion of the subarea B N is maximized by optimizing at least one parameter of the function z N accordingly. In the case of the arcuate segments, this is done by optimizing the radius of curvature of the circle equation, in the case of another desired contour, the skilled person can identify and adapt the analog parameter.
  • a first function z x is assumed starting at the outermost point P 0 and the first area B 1 is bounded by the location where the function z x leaves the limits of the differential function u and in the subsequent interval h for the function z 2 the slope of Zi is taken over at the location of the common point of the functions Zi and z 2 , and so on, until the entire interval I has passed.
  • the minimum number of arcuate segments is realized. Of course, a larger number of segments can be provided, depending on the needs in the specific case.
  • Another contour of the segments can be provided by substituting the parameters for the other contour in equation (5) instead of the elements for one circle (radius of curvature and center of the circle) and then determining the concentrator function z analogously to the method described above becomes.
  • This also makes it possible to provide one (or more) planar segments, or possibly even a convex one, always so far, and arranged and designed so that the differential inequalities (7) remain satisfied.
  • the arcuate segments (or at least one) are formed by a reflective, flexible pressure-loaded membrane in operation, analogous to the configuration of Figure lb. More preferably, then the reflective membrane extends over several segments of the concentrator, s. also Figure lb.
  • the required radius of curvature may be adjusted by one skilled in the art as follows:
  • T 0 PoRo known to those skilled in the art.
  • T 0 is the line voltage (N / m, ie the force acting per m membrane length at the edge of the membrane as a result of its clamping into it), whereby the thickness of the membrane does not matter).
  • p 0 is the pressure on the membrane, the (arcuate) curvature causing (difference) pressure and R 0 the resulting radius of curvature of the membrane.
  • the length of the radius of curvature R 0 can be adjusted via the variation of the line tension T 0 , ie the force with which the membrane is prestressed or unclamped.
  • the concentrator according to the invention therefore preferably has the following structural elements which the person skilled in the art can suitably combine:
  • the concentrator has at least one essentially arcuate segment
  • the concentrator consists of essentially arcuate segments
  • the concentrator has at least one substantially planar segment
  • the concentrator has a reflective, flexible, pressure-loaded during operation membrane preferably extends over a plurality of segments of the concentrator
  • the reflective membrane of the concentrator is placed in segments on other membranes, such that the segments have a different curvature.

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Abstract

Disclosed is a non-parabolic concentrator which is designed to achieve the maximum possible concentration Cg for concave collectors with a rim angle Φ and an acceptance angle Θi. A method for producing a concentrator of this type uses a differential function u to determine the concentrator cross-section z(x) in such a way that the maximum geometric concentration Cg can be achieved. In a preferred embodiment, the concentrator according to the invention has circular arc segments.

Description

Solarkonzentrator  solar concentrator
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Konzentrator nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung solch eines Konzentrators nach Anspruch 8. The present invention relates to a concentrator according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a concentrator according to claim 8.
Sonnenkollektoren mit konkaven Konzentratoren finden vor allem in Sonnenkraftwerken Anwendung. Diese sind dem Fachmann bekannt, sie produzieren Wärme, die laufend in einer dem Solarfeld nachgeschalteten Verwertungseinheit umgewandelt wird, beispielsweise durch eine Turbinenanordnung in Strom. Andererseits kann die Wärme auch in einem industriellen Prozess beliebiger Art, der die Zufuhr von Wärme verlangt, Verwendung finden. Solar collectors with concave concentrators are mainly used in solar power plants. These are known to the person skilled in the art, they produce heat which is continuously converted into a recycling unit downstream of the solar field, for example by a turbine arrangement into electricity. On the other hand, the heat can also be used in an industrial process of any kind requiring the supply of heat.
Schliesslich kann die durch den Sonnenkollektor konzentrierte Sonnenstrahlung auch photo- voltaisch genutzt werden. Dann kann die Absorbereinheit mit photovoltaischen Zellen bestückt sein. Finally, the solar radiation concentrated by the solar collector can also be used photovoltaically. Then the absorber unit can be equipped with photovoltaic cells.
Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: DishSysteme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme, die im Allgemeinen Ein - Spiegelan- Ordnungen verwenden. Today, three basic forms of solar thermal power plants are in use: dish systems, solar tower power plant systems and parabolic trough systems, which generally use single - mirror arrays.
Dish- Systeme sind mit Paraboloid - förmigen Spiegeln ausgerüstet, die das Sonnenlicht auf einen Brennpunkt konzentrieren, wo ein Wärmeempfänger angeordnet ist. Die Spiegel sind zweiachsig drehbar gelagert, um dem aktuellen Sonnenstand nachgefahren werden zu kön- nen, und besitzen einen Durchmesser von wenigen Metern bis zu 10 m und mehr, womit dann Leistungen von bis zu 50 kW pro Modul erreicht werden. Beispielsweise wandelt ein beim Wärmeempfänger installierter Sterlingmotor die thermische Energie direkt in mechanische Arbeit um, durch die wiederum Strom erzeugt wird. Andererseits kann auch am Ort des Wärmeempfängers ein photovoltaisches Modul vorgesehen werden. Dish systems are equipped with paraboloid-shaped mirrors that focus the sunlight onto a focal point where a heat receiver is located. The mirrors are rotatably mounted biaxially in order to be able to follow the current position of the sun and have a diameter of a few meters up to 10 m and more, which then achieves powers of up to 50 kW per module. For example, a Sterling engine installed on the heat receiver converts the thermal energy directly into mechanical work, which in turn generates electricity. On the other hand, a photovoltaic module can also be provided at the location of the heat receiver.
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 erreicht werden, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Maschinen (in der Regel ein Dampfoder Fluidturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung) günstig ist. Die Anlage "Solar two" in Kalifornien besitzt eine Leistung von mehreren MW. Parabolrinnenkraftwerke besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Konzentratoren mit vergleichsweise geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie bzw. einen Brennlinienbereich besitzen. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 250 m. In der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr für die konzentrierte Wärme, welche zum Kraftwerk transportiert. Am Ort des Absorberrohrs kann auch eine photovoltaische Anordnung vorgesehen werden. Als Transportmedium für Wärme kommt beispielsweise Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf in Frage, oder auch Luft. Zunehmend werden die im Absorberrohr erreichbaren Temperaturen erhöht, von heute generell 400 °C nun auf gegen 500 °C, wobei 600 °C oder noch mehr, beispielsweise 650 °C angestrebt und für in naher Zukunft realistisch gehalten werden. Höhere Temperaturen als solche sind von Bedeutung, da dadurch der Wirkungsgrad im nachgeschalteten technischen Prozess erhöht werden kann. Ebenso sind höhere Konzentrationen des Lichts für photovoltaische Ausbeutung von Bedeutung. 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 can be achieved, which for the efficiency of the downstream thermal machines (usually a steam or fluid turbine power plant for power generation) is low. California Solar has a capacity of several MW. Parabolic trough power plants have a large number of collectors which have long concentrators with a comparatively small transverse dimension, and thus do not have a focal point but a focal line or a focal line area. These line concentrators today have a length of 20 m to 250 m. In the focal line runs an absorber tube for the concentrated heat, which transports to the power plant. At the location of the absorber tube and a photovoltaic device can be provided. As a transport medium for heat is for example thermal oil or superheated steam in question, or even air. Increasingly, the temperatures achievable in the absorber tube are increased, from 400 ° C now generally to around 500 ° C, with 600 ° C or even more, for example 650 ° C sought and kept realistic in the near future. Higher temperatures than those are important, as this can increase the efficiency in the downstream technical process. Likewise, higher concentrations of light are important for photovoltaic exploitation.
Denkbar ist es damit, am Ort eines Absorberrohrs für konzentrierte Wärme eine photovolta- ische Anordnung vorzusehen, so dass je nach der verwendeten Technologie im Absorberbereich entweder Wärme, Licht oder sowohl Wärme als auch Licht abgenommen werden. It is conceivable to provide a photovoltaic arrangement at the location of a concentrated heat absorber tube so that either heat, light or both heat and light are removed in the absorber area, depending on the technology used.
Parabolrinnenkraftwerke setzen sich zunehmend durch, wobei Wärme in unterschiedlichem Umfang produziert wird, beispielsweise das Martin Next Generation Solar Energy Center in Florida, welches 2012 89Ό00 MWh an Solar-Energie geliefert hat. Parabolic trough power plants are becoming increasingly popular, with heat produced to varying degrees, for example the Martin Next Generation Solar Energy Center in Florida, which delivered 89Ό00 MWh of solar energy in 2012.
Der pa rabeiförmige Querschnitt der Sonnenkollektoren ist grundsätzlich geeignet, hohe Konzentrationen zu liefern (die, wie ebenfalls erwähnt, auch bei photovoltaischen Anwendungen erwünscht oder notwendig sind) und damit auch die angestrebten, oben erwähnten höheren Temperaturen im Absorberbereich. The pa rabeiförmige cross section of the solar panels is basically suitable to deliver high concentrations (which, as also mentioned, are also desirable or necessary in photovoltaic applications) and thus also the desired, above-mentioned higher temperatures in the absorber area.
Hohe Konzentrationen sind jedoch aus zwei Gründen schwer realisierbar: Zum Einen ist der Radius der Sonnenscheibe von 0,27° (Öffnungswinkel von der Erde aus gesehen) stark limitierend: tatsächlich fallen damit die Sonnenstrahlen nicht parallel, sondern über einen Winkel von 0,54° verteilt auf einen Konzentrator ein. Daraus ergibt sich rechnerisch für einen idealen Konzentrator eine maximale theoretische Konzentration von 212 für einen zu einer Linie symmetrischen Konzentrator und 45032 für einen Konzentrator ohne symmetrische Restriktionen. Dann ist es immer so, dass die physische Realisierung eines theoretischen Konzepts kaum je auch nur annähernd die theoretisch mögliche Leistung erreicht - schon gar nicht dann, wenn von der Kostenseite her teure Spezialanfertigungen vermieden werden müssen, sondern der Aufwand in einem vernünftigen, d.h. industriell konkurrenzfä- higen (d.h. beispielsweise subventionsfreien) Rahmen gehalten werden muss. Dies gilt speziell für die Herstellung eines exakten parabolischen Konzentrators mit beispielsweise den oben genannten Abmessungen (Breite 10 m, Länge 250 m). However, high concentrations are difficult to achieve for two reasons: On the one hand, the radius of the solar disk of 0.27 ° (opening angle seen from Earth) is highly limiting: in fact, the sun's rays do not fall parallel to it, but spread over an angle of 0.54 ° on a concentrator. Calculated for an ideal concentrator, this results in a maximum theoretical concentration of 212 for a concentric to a line concentrator and 45032 for a concentrator without symmetrical restrictions. Then it is always the case that the physical realization of a theoretical concept hardly ever reaches even the theoretically possible performance - certainly not when expensive expensive custom-made products have to be avoided, but rather the effort in a reasonable, ie industrially competitive (ie, for example, free from subsidies). This is especially true for the production of an exact parabolic concentrator with, for example, the above dimensions (width 10 m, length 250 m).
Deshalb sind trotz der stets intensiv betriebenen technischen Weiterentwicklung Rinnenkon- zentratoren mit einer geometrischen Konzentration von über 60 (bei einem Akzeptanzwinkel von 0,27° ) nach wie vor technisch anspruchsvoll und entsprechend teuer herzustellen. For this reason, despite the ever-intensive technical development, channel concentrators with a geometric concentration of more than 60 (with an acceptance angle of 0.27 °) are still technically demanding and correspondingly expensive to produce.
Ein realer Konzentrator mit hoher Konzentration (in den nachstehenden Ausführungen ist stets die geometrische Konzentration Cg gemeint), der aber gleichzeitig zu vergleichsweise tiefen Kosten herstellbar ist, wird in WO 2010 / 037243 vorgeschlagen. Dort wird offenbart, den parabelförmigen Querschnitt eines Soll - Konzentrators durch sphärische bzw. kreisbogenförmige, an einander angrenzende Segmente einer reflektierenden Membran anzunähern, was erlaubt, die gewünschte, höhere Konzentrationen durch eine vergleichsweise günstige Konstruktion zu erreichen. Die Approximation der Parabelform durch sphärische Segmente führt jedoch unter anderem zu sphärischer Aberration, d.h. zu einer Verschlechterung gegenüber der durch eine Parabel an sich erreichbaren Konzentration. A real concentrator with high concentration (in the following statements, the geometric concentration C g is always meant), but at the same time can be produced at relatively low cost, is proposed in WO 2010/037243. There, it is disclosed to approximate the parabolic cross-section of a target concentrator by spherical or arcuate, adjacent segments of a reflective membrane, which allows to achieve the desired, higher concentrations by a comparatively favorable construction. However, the approximation of the parabolic shape by spherical segments leads inter alia to spherical aberration, ie to a deterioration compared to the concentration which can be achieved per se by a parabola.
Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Konzentrator für einen Sonnenkollektor bereit zu stellen, der bei realistischen Kosten im industriellen Einsatz (bei- spielsweise Fertigung in hoher Stückzahl bzw. mit grossen Abmessungen), aber auch bei kleinen oder kleinsten Anwendungen, eine noch weiter verbesserte Konzentration erlaubt. Accordingly, it is the object of the present invention to provide a concentrator for a solar collector, which at realistic costs in industrial use (for example, production in large quantities or with large dimensions), but also in small or very small applications, still further improved concentration allowed.
Diese Aufgabe wird durch eine Konzentrator mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung solch eines Konzentrators gelöst. Dadurch, dass der Konzentrator nicht parabolisch ausgebildet ist, öffnet sich der Weg zu einer leichter realisierbaren Formgebung. Dadurch, dass die geometrische Konzentration des Konzentrators derjenigen seiner Referenzparabel entspricht, ergibt sich ein Konzentrator, der das thermodynamische Limit für ein gegebenes Ein - Spiegelsystem erreichen kann. Durch die Verwendung der Differentialungleichungen des Brennbereichs ergibt sich ein Verfahren zur Herstellung solche eines Konzentrators, mit dem sich unter anderem für die Herstellung optimierte Formen des Konzentrators realisieren lassen. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. This object is achieved by a concentrator having the characterizing features of claim 1 and by a method for producing such a concentrator. The fact that the concentrator is not parabolic, opens the way to a more easily realizable shaping. The fact that the geometric concentration of the concentrator corresponds to that of its reference parabola results in a concentrator which can achieve the thermodynamic limit for a given one-mirror system. By using the differential inequalities of the firing range, a method for producing such a concentrator results, with which, inter alia, for the production optimized forms of the concentrator can be realized. The invention is explained below with reference to the figures.
Es zeigt: It shows:
Figur la schematisch einen konventionellen Rinnenkollektor mit einer druckbelasteten Kon- zentrator - Membran, FIG. 1 a schematically shows a conventional trough collector with a pressure-loaded concentrator membrane,
Figur lb einen Querschnitt durch die Konzentrator - Anordnung für einen Einspiegel Sonnenkollektor nach dem Stand der Technik, mit parabolischem Querschnitt Figur 2a einen Querschnitt durch eine Konzentrationsanordnung mit einem flachen Absorber, FIG. 1b shows a cross section through the concentrator arrangement for a single-reflector solar collector according to the prior art, with parabolic cross-section FIG. 2a shows a cross-section through a concentration arrangement with a flat absorber,
Figur 2b einen Querschnitt durch eine Konzentrationsanordnung mit einem runden Absorber, 2b shows a cross section through a concentration arrangement with a round absorber,
Figur 3a zeigt ein Diagramm für die Ausbildung des erfindungsgemässen Konzentrators mit einen rim angle Φ = 60° und einen Akzeptanzwinkel 9in = 5° für eine Konzentrationsanordnung mit flachem Absorber, Figur 3b zeigt ein Diagramm Steigung des Konzentrators von Figur 3a, FIG. 3 a shows a diagram for the embodiment of the concentrator according to the invention with a rim angle Φ = 60 ° and an acceptance angle 9 in = 5 ° for a flat absorber concentration arrangement. FIG. 3 b shows a diagram of the slope of the concentrator of FIG.
Figur 3c zeigt ein Diagramm der Differentialfunktion u des Brennbereichs des Konzentrators von Figur 3a, Figur 4a zeigt ein Diagramm für die Ausbildung des erfindungsgemässen Konzentrators mit einen rim angle Φ = 90° und einen Akzeptanzwinkel θ,η = 5° für eine Konzentrationsanordnung mit rundem Absorber, FIG. 3c shows a diagram of the differential function u of the focal region of the concentrator of FIG. 3a, FIG. 4 a shows a diagram for the embodiment of the concentrator according to the invention with a rim angle Φ = 90 ° and an acceptance angle θ, η = 5 ° for a concentrator arrangement with a round absorber,
Figur 4b zeigt ein Diagramm Steigung des Konzentrators von Figur 4a, FIG. 4b shows a diagram of the slope of the concentrator of FIG. 4a,
Figur 4c zeigt ein Diagramm der Differentialfunktion u des Brennbereichs des Konzentrators von Figur 4a, FIG. 4c shows a diagram of the differential function u of the focal zone of the concentrator of FIG. 4a,
Figur 5 zeigt ein Diagramm für die Ausbildung des erfindungsgemässen, mehrere kreisbogenförmige Segmente aufweisenden Konzentrators mit einen rim angle Φ = 60° und einen Akzeptanzwinkel 0in = 0,5° für eine Konzentrationsanordnung mit flachem Absorber, FIG. 5 shows a diagram for the embodiment of the concentrator having a plurality of arcuate segments according to the invention with a rim angle Φ = 60 ° and an acceptance angle O in = 0.5 ° for a flat absorber concentration arrangement,
Figur la zeigt einen Sonnenkollektor 1 (der hier als Rinnenkollektor ausgebildet ist) gemäss dem Stand der Technik, wie er durch die WO 2008 / 037108 offenbart worden ist. Der Sonnenkollektor 1 besitzt eine 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. Über einen Fluidkanal 5 wird die Druckzelle 2 unter Betriebsdruck gehalten, wobei weiter ein Fluidkanal 6 vorgesehen ist, dessen Funktion mit Bezug auf Figur lb näher beschrieben und dem Fachmann aus der WO 2008 / 037108 bekannt ist. Figure la shows a solar collector 1 (which is designed here as a trough collector) according to the prior art, as it has been disclosed by WO 2008/037108. The solar collector 1 has a pressure cell 2, which has the shape of a cushion and is formed by an upper, flexible membrane 3 and a hidden in the figure, lower flexible membrane 4. Via a fluid channel 5, the pressure cell 2 is maintained under operating pressure, wherein further a fluid channel 6 is provided, the function of which is described in more detail with reference to Figure lb and the expert from WO 2008/037108 known.
Die Membran 3 ist für Sonnenstrahlen 7 durchlässig, die im Inneren der Druckzelle 2 auf eine Konzentrator-Membran (beispielsweise eine Konzentrator - Membran 15 gemäss Figur lb oder eine einfache, nicht gestützte Membran) fallen und durch diese als Strahlen 7' reflektiert werden, hin zu einem Absorberrohr 9, in welchem ein Wärme transportierendes Medium zirkuliert und die durch den Kollektor konzentrierte Wärme abführt. Wie oben erwähnt, ist es beispielsweise auch möglich, das Absorberrohr als Halterung für photovoltaische Zellen auszubilden. Das Absorberrohr 9 wird durch Stützen 10 im Brennlinienbereich der Konzentrator-Membran 8 gehalten. The membrane 3 is permeable to sun rays 7, which fall inside the pressure cell 2 onto a concentrator membrane (for example a concentrator membrane 15 according to FIG. 1b or a simple, unsupported membrane) and are reflected by these as jets 7 ' to an absorber tube 9, in which a heat-transporting medium circulates and dissipates the heat concentrated by the collector. As mentioned above, it is also possible, for example, to form the absorber tube as a holder for photovoltaic cells. The absorber tube 9 is held by supports 10 in the focal line region of the concentrator membrane 8.
Die Druckzelle 2 ist in einem Rahmen 11 aufgespannt, der wiederum dem Sonnenstand entsprechend verschwenkbar auf einem Gestell gelagert ist. Rahmen und Gestell als solche sind dem Fachmann bekannt und werden in den folgenden Figuren zur Entlastung jeweils wegge- lassen oder nur schematisch angedeutet. Die Figur zeigt ein Ein - Spiegelsystem mit einer Konzentrationanordnung, welche einen Konzentrator, nämlich die Konzentrator - Membran 15 und einen runden Absorber, hier ein Absorberrohr 9 aufweist. The pressure cell 2 is clamped in a frame 11, which in turn is mounted according to the position of the sun pivotally mounted on a frame. Frame and frame as such are known to the person skilled in the art and will be removed in the following figures for the purpose of relief. let or only schematically indicated. The FIGURE shows a one-mirror system with a concentration arrangement which has a concentrator, namely the concentrator membrane 15 and a round absorber, here an absorber tube 9.
Figur lb zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ein-Reflektions - Konzentrationsanordnung für einen Rinnen - Sonnenkollektor gemäss dem Stand der Technik von der Art des in Figur la gezeigten, wobei jedoch der Konzentrator gemäss der Erfindung der WO 2010 / 037243 ausgebildet ist: 1 b shows a cross-section through a further one-reflection concentration arrangement for a trough solar collector according to the prior art of the type shown in FIG. 1 a, wherein, however, the concentrator according to the invention of WO 2010/037243 is formed:
Eine Konzentrator-Membran 15 ist innerhalb einer Druckzelle 16 im Betrieb druckbelastet aufgespannt, wobei der Betriebsdruck für die Konzentratormembran 15 und für dieser zugeordnete Spannmembrane 15', 15" durch eine Reihe von bevorzugt als Ventilatoren ausgebildeten Fluidpumpen 16 bis 19 erzeugt wird. Die Konzentrator-Membran 15 konzentriert Sonnenstrahlung 7,7' auf ein Absorberrohr 20, das auf Grund seiner als Schlitz ausgebildeten thermischen Öffnung 24 funktionell als flacher Absorber ausgebildet ist. Durch ihre spezielle Aufspannung und die segmentweise Stützung durch die Spannmembrane 15',15" bildet die Konzentrator-Membran 15 kreisbogenförmig gekrümmte, neben einander liegende Segmente 21 bis 23 aus, die eine Parabel nachbilden, wobei jedes der Segmente Strahlen in einen Brennlinienbereich konzentriert, dabei aber die Brennlinienbereiche aufgrund der nachgebildeten Parabelform am Ort des Absorberrohrs 20 zusammenfallen. Die Konzentrator - Membran 15 erstreckt sich durchgehend durch die Segmente 21 bis 23 und liegt, wie erwähnt, segmentweise auf einer Spannmembran auf, im Segment 23 auf den zwei Spannmembrane 15',15", im Segment 22 auf einer Spannmembran 15' , im Segment 21 ist sie frei geführt, ohne dass sie auf einer Spannmembran aufliegt. Dem Fachmann ist der Aufbau dieser Anordnung aus WO 2010 / 037243 bekannt. A concentrator membrane 15 is clamped under pressure in a pressure cell 16 during operation, wherein the operating pressure for the concentrator membrane 15 and for this associated clamping membrane 15 ', 15 "by a series of preferably designed as fans fluid pumps 16 to 19 is generated. Membrane 15 concentrates solar radiation 7, 7 'on an absorber tube 20, which is functionally designed as a flat absorber because of its slot-shaped thermal opening 24. Due to its special clamping and segmental support by clamping diaphragm 15', 15 ", the concentrator Membrane 15 arcuately curved, juxtaposed segments 21 to 23, which emulate a parabola, each of the segments rays concentrated in a focal line area, but coincide the focal line areas due to the simulated parabolic shape at the location of the absorber tube 20. The concentrator membrane 15 extends continuously through the segments 21 to 23 and is, as mentioned, in segments on a clamping membrane, in the segment 23 on the two clamping membrane 15 ', 15 ", in the segment 22 on a clamping membrane 15', in the segment 21, it is guided freely without it resting on a tensioning membrane The person skilled in the art knows the structure of this arrangement from WO 2010/037243.
Hier sei angefügt, dass eine druckbelastete Membran sich nicht exakt sphärisch oder kreisbogenförmig ausbildet, sondern nur nahezu, wobei die angenommene Form für rotationssymmetrische Membrane durch die Henky - Funktion beschrieben wird. Obschon die Henky - Funktion eine gegenüber dem Kreisbogen etwas stärkere Durchbiegung in den Randzonen und etwas schwächere Durchbiegung in der Mitte zeigt, wird in der vorliegenden Beschreibung stets der Begriff„kreisbogenförmig" verwendet, da die Abweichung eines Kreisbogens gegenüber beispielsweise der Henky - Funktion insbesondere im Hinblick auf die geometrische Konzentration eines Ein - Spiegelkonzentrators vernachlässigbar ist. Figur 2a zeigt schematisch die geometrischen Verhältnisse in einer Konzentrationsanordnung 25 mit einem flachen Absorber 26, wobei zur Entlastung der Figur nur die rechte Seite 27 eines konkaven Konzentrators 28 sowie ein Teil der linken Seite 29 des Konzentrators und die vom Konzentrator 28 von unten beleuchtete, flache Absorberoberfläche 30 dargestellt ist. Eine Symmetrieachse 31 teilt die rechte, dargestellte Hälfte 27 des Konzentrators und die linke, nicht dargestellte Hälfte 28 und liegt auf der optischen Achse des Konzentrators 28. Der Absorber 26 beschattet einen Bereich 32 der rechten 27 bzw. linken Seite 29 des Konzentrators 28, der entsprechend durch die gestrichelten Linien angenähert angedeutet ist. It should be added that a pressure-loaded membrane does not form exactly spherical or arcuate, but only almost, wherein the assumed shape for rotationally symmetric membrane by the Henky - function is described. Although the Henky function shows a slightly greater deflection in the edge zones and somewhat weaker center deflection, the term "circular arc" is always used in the present description because the deviation of a circular arc from, for example, the Henky function, in particular Is negligible with respect to the geometric concentration of an on - mirror concentrator. Figure 2a shows schematically the geometric relationships in a concentration arrangement 25 with a flat absorber 26, wherein to relieve the figure, only the right side 27 of a concave concentrator 28 and a part of the left side 29 of the concentrator and from the concentrator 28 illuminated from below, flat Absorber surface 30 is shown. An axis of symmetry 31 divides the right, illustrated half 27 of the concentrator and the left, not shown half 28 and lies on the optical axis of the concentrator 28. The absorber 26 shadows a portion 32 of the right 27 and left side 29 of the concentrator 28, the is indicated approximately by the dashed lines.
Im Betrieb ist die Konzentrationsanordnung 25 derart ausgerichtet, dass Zentralstrahlen 32 aus dem Zentrum der Sonne 33 (oder zu diesen parallele Strahlen) parallel zur Symmetrieachse 31, d.h. achsparallel, auf den Konzentrator 28 einfallen. Randstrahlen 34,34' der Sonne fallen gegenüber den Zentralstrahlen 32 unter dem Akzeptanzwinkel Θ, ein. Der Akzeptanz- winkel Θ, wird vom Fachmann für die Auslegung des Konzentrators im konkreten Fall bestimmt, er kann beispielsweise 0,27° betragen, was dem Radius der Sonnenscheibe entspricht, oder auch grösser gewählt werden, wenn Strahlung aus der Korona der Sonne ebenfalls mit erfasst werden soll, oder wenn Fehler in der Ausrichtung oder andere geometrische Abweichungen berücksichtigt werden sollen. In operation, the concentrator assembly 25 is oriented such that central beams 32 from the center of the sun 33 (or parallel beams) parallel to the axis of symmetry 31, i. paraxial, incident on the concentrator 28. Edge rays 34,34 'of the sun fall with respect to the central rays 32 at the acceptance angle Θ, a. The acceptance angle Θ is determined by the person skilled in the art for the design of the concentrator in a specific case, it may for example be 0.27 °, which corresponds to the radius of the solar disk, or be chosen larger, if radiation from the corona of the sun also with should be detected, or if errors in alignment or other geometrical deviations are to be considered.
Ein Koordinatensystem mit der horizontalen Achse x und der Vertikalen Achse z hat seinen Ursprung auf der Absorberoberfläche 30. Der Konzentrator besitzt einen allgemeinen, konkaven Querschnitt, der durch die Funktion z des Konzentratorquerschnitts beschrieben ist. Der äusserste Punkt P0 des Konzentrators besitzt die Koordinaten (x0,-z0), ein dort einfallen- der Zentralstrahl 32 wird in den Punkt Q auf der Absorberoberfläche 30 reflektiert, der aufgrund der allgemeinen Funktion z auch nicht auf der Symmetrieachse 31 liegen kann. Die in den Punkt Q. einfallenden Randstrahlen 34,34' werden in die Punkte A bzw. B auf der Absorberoberfläche 30 reflektiert. Der rim angle Φ bezeichnet den Winkel zwischen dem von P0 in den Punkt O reflektierten Zentralstrahl 32. Über den rim angle Φ wird bei gegebener Funkti- on z die Aperturbreite a, bestimmt. A coordinate system with the horizontal axis x and the vertical axis z has its origin on the absorber surface 30. The concentrator has a general, concave cross section, which is described by the function z of the concentrator cross section. The outermost point P 0 of the concentrator has the coordinates (x 0 , -z 0 ), a central ray 32 incident there is reflected into the point Q on the absorber surface 30, which due to the general function z does not lie on the axis of symmetry 31 either can. The edge beams 34, 34 'incident in the point Q.sub.i are reflected in the points A and B on the absorber surface 30, respectively. The rim angle Φ denotes the angle between the central ray 32 reflected from P 0 to the point O. The rim angle Φ is used to determine the aperture width a, for a given function z.
Im Hinblick auf die geometrische Konzentration Cg des Konzentrators ergibt sich aus der Figur auch, dass diese durch Θ, und Φ festgelegt wird: Θ, bestimmt den Konus der reflektierten Strahlen ausgehend vom äussersten Punkt P0 , Φ wiederum die Steigung der Funktion z im Punkt P0, was die Richtung des Konus festlegt. Wird P0 variiert, ändert sich die Breite der Absorberoberfläche 30 ebenfalls. Da die die geometrische Konzentration Cg definiert ist als das Verhältnis von Aperturbreite a, zur Breite des Absorbers a0, bleibt bei der Variation von P0 (immer bei einem gegebenem Φ) die Konzentration Cg konstant. Die geometrische Konzent- ration Cg bleibt dieselbe, wenn das System durch gleichförmige Streckung vergrössert oder verkleinert wird (geometrische Ähnlichkeit) With regard to the geometric concentration C g of the concentrator, the figure also shows that this is determined by Θ, and Φ: Θ, the cone of the reflected rays, starting from the outermost point P 0 , Φ, again determines the slope of the function z im Point P 0 , which determines the direction of the cone. If P 0 is varied, the width of the absorber surface 30 also changes. Since the geometric concentration C g is defined as the ratio of the aperture width a to the width of the absorber a 0 , in the variation of P 0 (always given a Φ), the concentration C g remains constant. The geometric concentration C g remains the same if the system is enlarged or reduced by uniform stretching (geometric similarity)
Der rim angle Φ und der Akzeptanzwinkel Θ, sind somit die beiden Parameter, welche im Hinblick auf die geometrische Konzentration Cg eine Konzentrationsanordnung 25 charakteri- sieren. Cg wird vorliegend durch den Halbkonzentrator mit der entsprechenden Absorberoberfläche a0 = 1 und der Aperturweite aj von 1 bis x0 beschrieben, wobei der beschattete Bereich des Konzentrators sich von x = 0 bis x = 1 erstreckt. The rim angle Φ and the acceptance angle Θ are thus the two parameters which characterize a concentration arrangement 25 with regard to the geometric concentration C g . C g is described here by the half-concentrator with the corresponding absorber surface a 0 = 1 and the aperture width aj of 1 to x 0 , the shaded area of the concentrator extending from x = 0 to x = 1.
Die Wahl von a0 = 1 ist auf Grund der Einfachheit der nachstehend erläuterten Gleichungen getroffen. Dabei ergibt sich kein Verlust bezüglich der allgemeinen Gültigkeit, da die resultierende Konstruktion zu jeder Grösse streckbar ist. The choice of a 0 = 1 is made because of the simplicity of the equations discussed below. There is no loss of general validity, as the resulting construction is stretchable to any size.
Figur 2b zeigt einen Querschnitt durch eine Konzentrationsanordnung 40, die der Konzentrationsanordnung von Figur 2a entspricht mit Ausnahme des hier runden Absorbers 41, der den Radius r0 besitzt. Zusätzlich zu Figur 2a ist in einem allgemeinen Punkt der Funktion z des Konzentratorquerschnitts die Steigung m = z' der Funktion z eingetragen, wobei das Lot 42 auf eine Tangente an die Kurve z(x) mit einem Zentralstrahl 32 den laufenden Winkel φ ein- schliesst. Die Figuren 2a und 2b zeigen Querschnitte durch Rinnenkonzenratoren (2D - Konzentrato- ren), wobei bei einer Rotation um die Symmetrieachse 31 Dish - Konzentratoren (3D - Kon- zentratoren) resultieren, die ebenfalls erfindungsgemäss sind. FIG. 2b shows a cross-section through a concentration arrangement 40 which corresponds to the concentration arrangement of FIG. 2a, with the exception of the here round absorber 41, which has the radius r 0 . In addition to FIG. 2a, in a general point of the function z of the concentrator cross-section, the slope m = z 'of the function z is plotted, wherein the perpendicular 42 encloses the running angle φ with a central ray 32 on a tangent to the curve z (x) , FIGS. 2 a and 2 b show cross sections through channel concentrators (2D concentrators), with a rotation about the axis of symmetry 31 resulting in dish concentrators (3D concentrators), which are likewise in accordance with the invention.
Für die Anordnungen mit flachem oder mit rundem Absorber lässt sich festhalten: For the arrangements with a flat or with a round absorber can be stated:
Ausgehend von der allgemeinen Gleichung für das thermodynamische Limit eines idealen Konzentrators gilt (Konservation der Etendue) ideaUD = «A = sin 0o/sin0i , (1) wobei hier 8j den Akzeptanzwinkel und θ0 den maximalen Winkel der Strahlung am Ausgang des idealen Konzentrators bezeichnet. (Es sei angemerkt, dass im Fall eines Dish - Konzentra- tors, also eines 3D Konzentrators an Stelle eines Rinnen- (d.h. 2D) Konzentrators, die Bezie- hung A,/A0 = sin20o/sin2Oj gilt, wo A, und A0 die projizierten Einfall - und Ausgangsflächen sind ·) Starting from the general equation for the thermodynamic limit of an ideal concentrator (conservation of etendue) ideaUD = «A = sin 0 o / sin0 i , (1) where 8j denotes the acceptance angle and θ 0 the maximum angle of the radiation at the exit of the ideal concentrator. (It should be noted that in the case of a dishconcentrator, ie a 3D concentrator instead of a trough (ie 2D) concentrator, the relation A, / A 0 = sin 2 0 o / sin 2 Oj applies, where A, and A 0 are the projected incidence and exit areas ·)
Für einen flachen Absorber gilt
Figure imgf000011_0001
-a0(cos(20)+cos(2ej))/sin(29i)), was für die maximal mögliche Konzentration einer Anordnung 25 gemäss Figur 2a (dort ist a0 = 1 und a, entspricht der x-Koordinate von P0) ergibt:
For a flat absorber applies
Figure imgf000011_0001
-a 0 (cos (20) + cos (2ej)) / sin (29i)), which represents the maximum possible concentration of an arrangement 25 according to FIG. 2a (where a 0 = 1 and a, corresponds to the x-coordinate of P 0 ) gives:
Cg,max,2D,concave,flat = «i /«o = sin Φ C0S Φ/ (Sm' C0S ) " (2) C g, m ax, 2D, concave, flat = «i /« o = sin Φ C0S Φ / ( Sm 'C0S ) " (2)
Für einen runden Absorber gilt
Figure imgf000011_0002
rocos<D/sin0i), was für die maximal mögliche Konzentration einer Anordnung 40 (Figur 2b) ergibt:
For a round absorber applies
Figure imgf000011_0002
r o cos <D / sin0i), which gives the maximum possible concentration of an array 40 (FIG. 2b):
Cg,max,2D,concave,circular = *i /O0 ) = Slll Φ/Ο SU1 θ{ ) . (3) C g, max, 2D, concave, circular = * i / O 0 ) = Slll Φ / Ο SU1 θ { ). (3)
Die Gleichungen (2) und (3) zeigen also das jeweilige Limit für die geometrischen Konzentra- tion Cg unter Berücksichtigung der Parameter Φ und 8j für konkave Konzentratoren. Die maximale Konzentration gemäss den Gleichungen (2), (3) ist stets kleiner als diejenige von (1). The equations (2) and (3) thus show the respective limit for the geometric concentration C g , taking into account the parameters Φ and 8j for concave concentrators. The maximum concentration according to equations (2), (3) is always smaller than that of (1).
Mit der oben genannten Beziehung Α·,/Α0 = sin29o/sin20i für Dish - Konzentratoren (3D - Konzentratoren) können die zu (2) und (3) analoge Gleichungen für die Dish - Konzentratoren (3D - Konzentratoren) aufgestellt werden. Vorliegend werden jedoch nur Ausführungsformen mit 2D Konzentratoren beschrieben, obschon, wie oben erwähnt, 3D Konzentratoren ebenfalls erfindungsgemäss ausgebildet werden können. With the relationship Α ·, / Α 0 = sin 2 9 o / sin 2 0i for dish concentrators (3D concentrators) mentioned above , the equations for the dish concentrators (3D concentrators) can be compared to (2) and (3) ) are set up. In the present case, however, only embodiments with 2D concentrators are described, although, as mentioned above, 3D concentrators can also be designed according to the invention.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die geometrische Konzentration je nach der Ausbildung des Absorbers verschieden ist: die Gleichung (2) beschreibt diese für einen flachen Absorber, die Gleichung (3) für einen runden Absorber. Darüber hinaus sind natürlich viele verschiedene Absorberformen denkbar, die der Fachmann im konkreten Fall bestimmt. Dann sind die zu (2) und (3) äquivalenten Gleichungen aufzustellen, was der Fachmann analog zum oben ge- zeigten Weg für den flachen und den runden Konzentrator tun kann. Dies gilt auch für die unten beschriebene Differentialfunktion u des Brennbereichs und deren Anwendung für die Bestimmung einer erfindungsgemässen Funktion z des Konzentratorquerschnitts. Im Ergebnis wird vorliegend ein konkaver Konzentrator für einen Rinnenkollektor mit einer flachen (oder runden) Absorberoberfläche als bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, wobei, wie erwähnt, die Erfindung auch 3D - Konzentratore und für beide jeweils alle denkbaren Ausbildungen des Absorbers (d.h. nicht nur flach oder rund) mitumfasst. It should be noted here that the geometric concentration differs according to the configuration of the absorber: equation (2) describes this for a flat absorber, equation (3) for a round absorber. In addition, of course, many different forms of absorber are conceivable, which determines the expert in the specific case. Then the equations equivalent to (2) and (3) have to be set up, which the person skilled in the art will be able to do analogously to the above equation. showed way for the flat and the round concentrator can do. This also applies to the differential function u of the combustion region described below and its application for the determination of a function z of the concentrator cross section according to the invention. As a result, a concave concentrator for a trough collector with a flat (or round) absorber surface is described herein as preferred embodiments, wherein, as mentioned, the invention also includes 3D concentrators and, for both, all imaginable embodiments of the absorber (ie not only flat or round ).
Die Funktion z des Konzentratorquerschnitts kann nun erfindungsgemäss so bestimmt wer- den, dass ein entsprechender Konzentrator vereinfacht herstellbar ist, aber dennoch das Limit der Gleichungen (2) oder (3) - oder deren äquivalenten Gleichungen für andere Ausbildungen des Absorbers - erreicht, was bedeutet, dass ein vereinfacht (oder aus anderen Gründen mit anderem Querschnitt) herstellbarer Konzentrator optimal konzentriert, d.h. im Hinblick auf die geometrische Konzentration Cg nicht weiter verbesserbar ist. The function z of the concentrator cross section can now be determined according to the invention such that a corresponding concentrator can be produced in a simplified manner but nevertheless reaches the limit of equations (2) or (3) - or their equivalent equations for other embodiments of the absorber - which means in that a concentrator which can be produced in a simplified manner (or for other reasons with a different cross-section) can be optimally concentrated, ie not further improved with regard to the geometric concentration C g .
Oben ist die geometrische Konzentration Cg mit Hilfe des Punkts P0 bestimmt worden, d.h. ohne sicher zu stellen, dass der Konzentrator über seine ganze reflektierende Oberfläche, hier im Intervall [1, Xo], tatsächlich alle im Bereich zwischen ± Q, einfallenden Strahlen innerhalb von 2a0 (Figuren 2a und 2b) auf den Absorber konzentriert. Dies ist aber implizite Bedin- gung der Etendue gemäss der Gleichung (1). Above, the geometric concentration C g has been determined by means of the point P 0 , ie without making sure that the concentrator over its entire reflecting surface, here in the interval [1, Xo], actually all in the range between ± Q, incident rays within 2a 0 (Figures 2a and 2b) concentrated on the absorber. But this is an implicit condition of etendue according to equation (1).
Das Profil des Konzentrators kann durch dessen Steigung bzw. den Winkel φ = arctg(z') in einem laufenden Punkt P auf z(x) angegeben werden, s. Figur 2b, wobei dann die Gleichung des reflektierten Strahls ist: ΐ(φ, ί θ) = ν(φ) + ν(φ)ΐ. (4) wobei Ρ(χ(φ),ζ(φ)) der Punkt ist, in welchem der Stahl den Konzentrator trifft, und ν(φ)=(- sin(2<p-9), cos(2<p-6)) der Einheitsvektor des reflektierten Strahls, und t der Parameter für die zurückgelegte Distanz des reflektierten Strahls ist. The profile of the concentrator can be indicated by its slope or the angle φ = arctg (z ') in a running point P on z (x), s. Figure 2b, where then the equation of the reflected beam is: ΐ (φ, ί θ) = ν (φ) + ν (φ) ΐ. (4) where Ρ (χ (φ), ζ (φ)) is the point at which the steel strikes the concentrator, and ν (φ) = (- sin (2 <p-9), cos (2 <p -6)) is the unit vector of the reflected beam, and t is the parameter for the distance traveled by the reflected beam.
Für einen flachen Absorber (Figur 2a) trifft der reflektierte Strahl im Punkt Xflat(u, 0) auf diesem auf. u bezeichnet dabei den Wert für die x - Koordinate des Auftreff punkts des reflektierten Strahls auf dem Absorber. Löst man die Gleichung (4) mit Xflat , ergibt sich für u: u ((p;9) = χ(φ) + ίΒϊΐ(2φ-θ)ζ(φ) als Parameterform, und, durch Einsetzen von arctg(z') für φ, z'(z'sin6l + 2cos6l)-sin6l For a flat absorber (2a) applies the reflected beam at point X fla t (u, 0) on this on. In this case, u denotes the value for the x coordinate of the point of impact of the reflected beam on the absorber. Solving equation (4) with X flat results in u: u ((p; 9) = χ (φ) + ίΒϊΐ (2φ-θ) ζ (φ) as a parametric form, and by substituting arctg (z ') for φ, z'(z'sin6 l + 2cos6 l ) -sin6 l
Mnat \x>v) - x~z~rr~, ^— . ^ -· als nicht parametrische Form (5b) z(z cos#-2sin#)-cos# einer Funktion u des Brennbereichs. M nat \ x > v) - x ~ z ~ rr ~ , ^ -. ^ - · as non-parametric form (5b) z (z cos # -2sin #) - cos # of a function u of the focal area.
Für einen runden Absorber (Figur 2b) ergibt sich entsprechend durch Lösung der Gleichung (4) mit Xcirc(ucoso), usinu)) unter Berücksichtigung dass der kleinste Absorberradius u sich ergibt, wenn der reflektierte Strahl tangential auf dem runden Absorber auftrifft (dann ist ω=2φ-θ): For a round absorber (FIG. 2b), correspondingly by solving equation (4) with X circ (ucoso), usinu)), taking into account that the smallest absorber radius u results when the reflected beam impinges tangentially on the round absorber (then is ω = 2φ-θ):
M «rc (<P>' θ) = χ(<Ρ) cos(2<p -θ) + ζ(φ) sin(2«^ - θ) parametrische Form (6a) M «rc (<P>' θ) = χ (<Ρ) cos (2 <p-θ) + ζ (φ) sin (2 ^ - θ) parametric form (6a)
u ci■rc (χ;θ) = |[.τ - ζ'{χζ' - 2/)] cos θ u ci ■ rc (χ; θ) = | [.τ - ζ '{χζ' - 2 /)] cos θ
nicht parametrische Form (6b) non-parametric form (6b)
- [ζ - ζ'(ζζ' + 2x)]sin θ] /(I + ζ'2). - [ζ - ζ '(ζζ' + 2x)] sin θ] / (I + ζ ' 2 ).
(Der Winkel ω ist dabei beschränkt auf [0, π], haben, so dass u Werte annimmt im Bereich -1 < u < 1 wie dies beim flachen Absorber der Fall ist, s. dazu die Beschreibung unten). (The angle ω is limited to [0, π], so that u assumes values in the range -1 <u <1, as is the case with the flat absorber, see the description below).
Es ergibt sich: It follows:
Die Differentialfunktion u des Brennbereichs beschreibt den Ort, zu welchem ein am allgemeinen Punkt P unter einem Winkel Θ in den Konzentrator z eingefallener Strahl auf den Absorber reflektiert wird. Dabei meint "Konzentrator z" einen Konzentrator, dessen Querschnitt nach der allgemeinen Funktion z(x) ausgebildet ist. Bleiben alle Werte von u für x = 1 bis x0 von z(x) im Intervall -1 < u <1 folgt, dass alle Strahlen unseres Konzentrators z gemäss den Figuren 2a und 2b auf den dort gezeigten Absorber reflektiert werden und zusätzlich der kleinstmögliche Absorber, also maximale geometrische Konzentration Cg vorliegt. Letzteres ergibt sich aus den Gleichungen (2) und (3), die mit umax = ±1 (Figuren 2a und 2b) aufgestellt worden sind. The differential function u of the focal region describes the location at which a beam incident on the general point P at an angle Θ in the concentrator z is reflected onto the absorber. In this case, "concentrator z" means a concentrator whose cross section is formed according to the general function z (x). If all the values of u for x = 1 to x 0 of z (x) in the interval -1 <u <1 are followed, then all beams of our concentrator z according to FIGS. 2a and 2b are reflected onto the absorber shown there and additionally the smallest possible Absorber, so maximum geometric concentration C g is present. The latter results from equations (2) and (3), which have been set up with u max = ± 1 (FIGS. 2 a and 2 b).
Damit gilt für maximale geometrische Konzentration Cg generell folgendes System von Differentialungleichungen:
Figure imgf000014_0001
Thus, for maximum geometric concentration C g , the following system of differential inequalities applies in general:
Figure imgf000014_0001
Angemerkt sei noch, dass die Differentialfunktion u für jede Ausbildung des Absorbers natürlich anders aussieht, für einen flachen Absorber gelten für u die Gleichungen (5a, 5b) und für einen runden Absorber die Gleichungen (6a, 6b), für weitere Ausbildungen des Konzentrators entsprechend aufgestellte Gleichungen für u. It should also be noted that the differential function u naturally looks different for each embodiment of the absorber; for a flat absorber, the equations (5a, 5b) apply to μ and the equations (6a, 6b) for a round absorber, for further embodiments of the concentrator established equations for u.
Erfüllt eine Funktion z für das Konzentratorprofil die Differentialungleichungen (7) folgt, dass jeder durch den entsprechenden (bis P0 reichenden) Konzentrator reflektierte Strahl so auf den Absorber trifft, dass der Auftreffpunkt innerhalb des Bereichs für maximale geometrische Konzentration Cg liegt. If a function z for the concentrator profile satisfies the differential inequalities (7), it follows that each beam reflected by the corresponding (to P 0 reaching) concentrator hits the absorber such that the point of impact is within the maximum geometric concentration range C g .
Damit ergibt sich ein Verfahren zum Herstellen eines konkaven Konzentrators bei welchem aus vorbestimmten Werten für den Akzeptanzwinkel Θ, und dem rim angle Φ eine Funktion z des Konzentratorquerschnitts derart bestimmt wird, dass z die Differentialungleichungen (7) für eine Funktion u des Brennbereichs erfüllt, und dass der Konzentrator der Funktion z entsprechend mit einem gewünschten Wert für a, ausgebildet wird. This results in a method for producing a concave concentrator in which from predetermined values for the acceptance angle Θ, and the rim angle Φ a function z of the concentrator cross-section is determined such that z satisfies the differential inequalities (7) for a function u of the combustion region, and that the concentrator of the function z is formed corresponding to a desired value for a.
Die Differentialungleichungen (7) sind abstrakt und zeigen nicht, wie eine diese erfüllende Funktion z aussieht. Vermutungsweise ist die Parabel eine Lösung. Für die entsprechende Annahme (die Funktion z sei eine Parabel) folgt aus der Geometrie von Figur 2a, dass deren Brennweite f = 0cot <I>) ist und deren Brennpunkt die Koordinaten F(0, z0+x0cot<D) aufweist. Damit ist die Parabel bestimmt und kann aufgezeichnet werden: Figur 3 a zeigt ein Diagramm mit Querschnitten von flachen Konzentratoren, in welchem die oben vermutete Parabel als Funktion zPb für Φ=60° und Θρ5° eingetragen ist, gleichzeitig sind eingetragen die rechte extreme Lösung zR und die linke extreme Lösung zL der Differentialungleichungen (7), nämlich diejenigen Funktionen zR und zL, die eine Lösung sind, wenn die Differentialungleichungen u als Differentialgleichungen
Figure imgf000015_0001
1 und u(x; -θ,)= -1 gesetzt werden. Ein Konzentratorprofii nach einer allgemeinen Funktion z kann entsprechend nur dann alle Strahlen innerhalb des Akzeptanzwinkels auf den Absorber reflektieren, wenn z innerhalb dem durch zR und zL aufgespannten Bereich B liegt, d.h. diesen nicht durchbricht. Liegt z im Bereich B, d.h. innerhalb zR , zL , ist die die Reflektion aller Strahlen innerhalb des Akzeptanzwinkels auf den Absorber möglich, aber nicht zwingend. Vorerst ergibt sich damit, dass die Parabel eine Lösung der Differentialungleichungen (7) sein und damit maximale geometrische Konzentration Cg ermöglichen kann, solange sie alle Strahlen innerhalb des Akzeptanzwinkels für den Absorber einfängt. Figur 3 b zeigt ein Diagramm mit den Steigungen z' der Funktionen zPb, zR und zL, von Figur 3a, d.h. wiederum für einen konkaven Konzentrator mit den Parametern Φ=60° und θ,=5°. Eingetragen sind die Funktionen z'Pb , z'R und z'L,.
The differential inequalities (7) are abstract and do not show what a function z fulfilling this function looks like. Presumably, the parabola is a solution. For the corresponding assumption (the function z is a parabola), it follows from the geometry of FIG. 2a that its focal length f = 0 cot <I>) and the focal point of which is the coordinates F (0, z 0 + x 0 cot <D) having. This determines the parabola and can be recorded: FIG. 3 a shows a diagram with cross-sections of flat concentrators, in which the parabola assumed above is plotted as a function z Pb for Φ = 60 ° and Θρ5 °, at the same time the extreme right solution z R and the extreme left solution z L are plotted Differential inequalities (7), namely those functions z R and z L , which are a solution if the differential inequalities u as differential equations
Figure imgf000015_0001
1 and u (x; -θ,) = -1. A concentrator profile according to a general function z can correspondingly only reflect all the rays within the acceptance angle onto the absorber if z lies within the region B spanned by z R and z L , ie does not break it. If z lies in the region B, ie within z R , z L , the reflection of all rays within the acceptance angle to the absorber is possible, but not mandatory. For the time being, the result is that the parabola can be a solution of the differential inequalities (7) and thus enable maximum geometric concentration C g , as long as it captures all the rays within the acceptance angle for the absorber. FIG. 3 b shows a diagram with the slopes z 'of the functions z Pb , z R and z L , of FIG. 3 a, ie in turn for a concave concentrator with the parameters Φ = 60 ° and θ, = 5 °. Registered are the functions z ' Pb , z' R and z ' L,.
Die Anmelderin hat gefunden (s. dazu die Beschreibung unten), dass jede Funktion z, deren Ableitung z' im durch z'R und z'L aufgespannten Bereich B' liegt, eine Lösung der Differentialungleichungen (7) darstellt, z The Applicant has found (see the description below) that each function z whose derivative z 'lies in the region B' spanned by z ' R and z' L represents a solution of the differential inequalities (7), e.g.
Es ergibt sich, dass eine Konzentratorfunktion z für maximale geometrische Konzentration Cg gefunden werden kann, indem eine Funktion z' im Intervall grafisch oder aus z'R und z'L rechnerisch bestimmt und dann numerisch oder, falls möglich, analytisch integriert wird. (Zu Bemerken ist dabei, dass eine Funktion z, deren Ableitung z' das Intervall P verlässt noch eine Lösung der Differentialungleichungen sein kann.) It turns out that a concentrator function z for maximum geometric concentration C g can be found by computationally determining a function z 'in the interval graphically or from z' R and z ' L and then numerically or, if possible, analytically integrated. (It should be noted that a function z whose derivative z 'leaves the interval P may still be a solution to the differential inequalities.)
Weiter ergibt sich aus dem oben gesagten ein Verfahren, wobei zur Bestimmung der Funkti- on z die beiden extremen Lösungen der Differentialungleichungen für die Funktion u für die vorbestimmten Werte des Akzeptanzwinkels Θ, und des rim angles Φ (u mit z'(x0) = tan(l/2<t>)) und daraus die beiden extremen Lösungen für z' bestimmt werden, und in dem durch diese gebildeten Intervall eine spezifische Lösung für die Funktion z' ausgewählt und durch Integration als Funktion z für die Ausbildung des Konzentrators verwendet wird. Natürlich kann so auch überprüft werden, ob eine (auf welcher Basis auch immer) angenommene Funktion z einen Konzentratorquerschnitt für maximale geometrische Konzentration beschreibt. Dann wird eine mögliche Funktion z angenommen, und Gleichung (7) be- nutzt, um zu bestimmen, ob alle Strahlen auf den Absorber reflektiert sind. Wenn Gleichung (7) erfüllt ist, reflektiert der Konzentrator alle Strahlen auf den Konzentrator und erreicht damit die maximale Konzentration. Furthermore, a method results from the above, wherein for determining the function z the two extreme solutions of the differential inequalities for the function u for the predetermined values of the acceptance angle Θ and of the rim angle Φ (u with z '(x 0 ) = tan (l / 2 <t>)) and from this the two extreme solutions for z 'are determined, and in the interval formed by them a specific solution for the function z' selected and by integration as a function z for the formation of the concentrator is used. Of course, it is also possible to check whether a function (assumed on whatever basis) z describes a concentrator cross-section for maximum geometric concentration. Then a possible function z is assumed and equation (7) is used to determine if all rays are reflected on the absorber. If Equation (7) is satisfied, the concentrator reflects all the rays onto the concentrator, thus reaching the maximum concentration.
Da die Ableitung z'Pb der Parabel im Bereich B' liegt ist auch die vermutete Parabel eine Lö- sung der Gleichungen (7) und ermöglicht maximale geometrische Konzentration Cg . Zusätzlich gibt es damit unendlich viele nicht parabolische Konzentratorquerschnitte z(x) mit maximaler geometrischer Konzentration Cg, die gemäss dem vorherigen Abschnitt bestimmt werden können. Damit ergibt sich weiter, dass die Parabel als Referenz dafür dienen kann, ob eine nicht parabolische Funktion z einen Konzentratorquerschnitt mit maximaler geometrischer Konzentration Cg beschreibt. Die Parabel ermöglicht maximale geometrische Konzentration - konzentrieret ein allgemeiner Konzentrator im Vergleich gleich gut, handelt es sich um einen er- findungsgemässen Konzentrator. Natürlich muss es sich bei dem Vergleich um eine zum all- gemeinen Konzentrator äquivalente, d.h. um die hier "Referenzparabel" genannte Parabel handeln, welche einfach aus der Geometrie des allgemeinen Konzentrators bestimmt werden kann. Zuerst kann dessen rim angle Φ gemessen und ein für diesen bekannter (oder einfach angenommener) Akzeptanzwinkels Θ, bestimmt werden. Damit ist auch die Referenzparabel bestimmt, bevorzugt kann diese mit derselben Aperturweite a, angenommen werden. Since the derivative z ' Pb of the parabola lies in region B', the presumed parabola is also a solution of equations (7) and allows maximum geometric concentration C g . In addition, there are thus infinitely many non-parabolic concentrator cross sections z (x) with maximum geometric concentration C g , which can be determined according to the previous section. This further shows that the parabola can serve as a reference for whether a non-parabolic function z describes a concentrator cross-section with maximum geometric concentration C g . The parabola allows maximum geometric concentration - if a general concentrator concentrates equally well in comparison, it is a concentrator according to the invention. Of course, the comparison must be an equivalent to the general concentrator, ie the parabola referred to here as the "reference parabola", which can simply be determined from the geometry of the general concentrator. First, its rim angle Φ can be measured and an acceptance angle Θ, known for this (or simply assumed), can be determined. Thus, the reference parabola is determined, preferably this can be assumed with the same aperture width a.
Dann ist weiter der für den allgemeinen Konzentrator bekannte oder ein angenommener Absorber zu bestimmen, da die Ausbildung des Absorbers die geometrische Konzentration Cg beeinflusst. Damit ist die geometrische Konzentration Cg der Referenzparabel bestimmbar - ist nun die geometrische Konzentration Cg des allgemeinen Konzentrators z gleich oder im Wesentlichen gleich (beispielsweise Herstelltoleranzen) handelt es sich beim allgemeinen Konzentrator z um einen erfindungsgemässen Konzentrator. Dabei ist unwesentlich, welcher Absorber bzw. welcher Akzeptanzwinkel Qt gegebenenfalls angenommen wird - wesentlich ist einzig, dass diese dann auch für die Referenzparabel verwendet werden. Dieser Vergleich kann wesentlich einfacher sein als die Analyse, ob ein allgemein geformter, konkaver Konzentrator die Differentialungleichungen (7) erfüllt. Zudem ist aus der Struktur eines allgemeinen Konzentrators z die Referenzparabel leicht bestimmbar und damit (allfällig unter Annahme eines für beide gleichen Absorbers und Akzeptanzwinkels θ,) deren geometrische Konzentration Cg. Then it is further to determine the known or an assumed absorber for the general concentrator, since the formation of the absorber affects the geometric concentration C g . Thus, the geometric concentration C g of the reference parabola can be determined - if the geometric concentration C g of the general concentrator z is equal to or essentially the same (for example manufacturing tolerances), the general concentrator z is a concentrator according to the invention. It is immaterial which absorber or which acceptance angle Q t is possibly accepted - the only essential is that they are then also used for the reference parabola. This comparison can be much simpler than the analysis of whether a generally shaped concave concentrator satisfies the differential inequalities (7). In addition, the reference parabola can be easily determined from the structure of a general concentrator z, and thus (possibly assuming an equal absorber and acceptance angle θ,) of its geometric concentration C g .
Es ergibt sich, dass ein erfindungsgemässer konkaver Konzentrator, dadurch gekennzeichnet ist, dass er nicht parabolisch, aber derart ausgebildet ist, dass im Betrieb seine geometrische Konzentration Cg im Wesentlichen derjenigen seiner Referenzparabel mit gleich ausgebildetem Absorber entspricht, die mit dem konkaven Konzentrator für achsparallel einfallende Zentralstrahlen der Sonne den Akzeptanzwinkel Θ, sowie den rim angle Φ gemeinsam hat. It can be seen that a concave concentrator according to the invention is characterized in that it is not parabolic, but designed such that in operation its geometric concentration C g essentially corresponds to that of its reference parabola with absorber of the same design, which with the concave concentrator is parallel to the axis incident central rays of the sun has the acceptance angle Θ, and the rim angle Φ in common.
Eine weitere Überprüfung, ob eine (auf welcher Basis auch immer) angenommene Funktion z einen Konzentratorquerschnitt z für maximale geometrische Konzentration beschreibt, ergibt sich aus Figur 3c, die ein Diagramm zeigt, auf dessen horizontaler Achse die Spannweite x des Konzentrators mit dem Konzentratorquerschnitt z(x) und auf dessen horizontaler Achse die Werte für die Differentialfunktion u des Brennbereichs aufgetragen sind. A further check as to whether a function (assumed on whatever basis) z describes a concentrator cross-section z for maximum geometric concentration is shown in FIG. 3c, which shows a diagram on whose horizontal axis the span x of the concentrator with the concentrator cross-section z (FIG. x) and on whose horizontal axis the values for the differential function u of the combustion region are plotted.
Wie oben erwähnt, können für eine gegebene Funktion z die extremen Lösungen zR und zL durch lösen von u für u(x;9,)= 1 und u(x; -θ,)= -1 im Intervall bis x0 (d.h. bis zum Punkt P0 an der Aussenkante des Konzentrators) bestimmt werden. Diese extremen Lösungen zR und zL dürfen nun für unsere angenommene, zu überprüfende Funktion z die Werte von -1 < u < 1 nicht überschreiten, sonst wäre die Differentialungleichungen (7) nicht erfüllt, d.h. die die angenommene Funktion z würde einen Konzentrator beschreiben, der nicht maximale geometrische Konzentration ermöglicht. Anders herum ermöglicht ein Konzentrator mit einem Querschnitt nach einer allgemeinen Funktion z maximale geometrische Konzentration, wenn die extremen Lösungen zR und zL im Gültigkeitsbereiche Bg liegen, d.h. die Werte von -1 < u < 1 nicht überschreiten. Es ergibt sich ein (analytisches oder numerisches) Verfahren bei dem eine möglichen Funktion z (auf welcher Basis auch immer) angenommen und überprüft wird, ob eine extreme Lösung der aus z gebildeten Differentialfunktion u den Gültigkeitsbereich Bg verlässt, wobei dann z verworfen, sonst aber zur Ausbildung des Konzentrators verwendet wird. As mentioned above, for a given function z, the extreme solutions z R and z L can be solved by solving u for u (x; 9,) = 1 and u (x; -θ,) = -1 in the interval up to x 0 ( that is, to point P 0 at the outer edge of the concentrator). These extreme solutions z R and z L must not exceed the values of -1 <u <1 for our assumed function z to be checked, otherwise the differential inequalities (7) would not be satisfied, ie the assumed function z would describe a concentrator that does not allow maximum geometric concentration. Conversely, a concentrator with a cross-section of a general function z allows maximum geometric concentration when the extreme solutions z R and z L are in the ranges B g , that is, do not exceed the values of -1 <u <1. The result is an (analytical or numerical) method in which a possible function z (on whatever basis) is assumed and checked whether an extreme solution of the differential function u formed in z leaves the validity range B g , in which case z is rejected, otherwise but is used to form the concentrator.
Die Diagramme der Figuren 4a bis 4c zeigen der Vollständigkeit halber analog zu den Figuren 3a bis 3c die Bereiche B, B' und Bu für die Parameterwerte Φ=60° und θί=5° eines konkaven Konzentrators, der einen runden Absorber 90 gemäss Figur 2b beleuchtet. Wiederum gibt es eine Parabel zPb , die ihren Brennpunkt im Ursprung hat. welche eine Lösung der Differentialungleichungen (7) ist, sowie extreme Lösungen zR und zL, wobei diesen die Gleichungen (6a) bzw. (6b) zu Grunde liegen. Für die Brennweite der Parabel zPb gilt f =
Figure imgf000018_0001
Wie es beim flachen Absorber der Fall ist, können die extremen Lösungen zR und zL durch die Gleichung u(x,
Figure imgf000018_0002
bestimmt werden, wobei, wie erwähnt, u nun durch die Gleichungen (6) bestimmt wird. Die resultierenden Konzentratorfunktionen z (x) reflektieren + Θ, und - θί Randstrahlen derart, dass diese immer tangential zum oberen und unteren Bereich des runden Absorbers verlaufen.
The diagrams of FIGS. 4a to 4c show for the sake of completeness analogous to FIGS. 3a to 3c the regions B, B 'and B u for the parameter values Φ = 60 ° and θ ί = 5 ° of a concave concentrator comprising a round absorber 90 according to FIG Figure 2b illuminated. Again, there is a parabola z Pb that has its focal point in the origin. which is a solution of the differential inequalities (7) and extreme solutions z R and z L , which are based on equations (6a) and (6b). For the focal length of the parabola z Pb , f =
Figure imgf000018_0001
As is the case with the flat absorber, the extreme solutions z R and z L can be given by the equation u (x,
Figure imgf000018_0002
are determined, where, as mentioned, u is now determined by the equations (6). The resulting concentrator functions z (x) reflect + Θ, and - ί ί marginal rays such that they always run tangentially to the top and bottom of the round absorber.
Angemerkt sei noch, dass für einen flachen Absorber die extremen Lösungen zR und zL eine gekippte Parabel beschreiben, deren Brennpunkt im Punkt A bzw. B (Figuren 2a und 2b) liegt. Die linke extreme Lösung zL wird gefunden durch die Lösung von u (x, -θ,) + 1 = 0, indem die zweite Ungleichung von (7) in eine Gleichung transformiert wird. Die resultierende Kurve ist eine Parabel mit dem Brennpunkt in B, deren Achse parallel zu den - Θ, Strahlen liegt. Dasselbe gilt für die rechte extreme Lösung zR, bei welcher eine Parabel mit dem Brennpunkt in A resultiert, deren Achse parallel zu den + Θ, Strahlen liegt. It should also be noted that for a flat absorber, the extreme solutions z R and z L describe a tilted parabola whose focal point lies at points A and B (FIGS. 2 a and 2 b). The left extreme solution z L is found by solving u (x, -θ,) + 1 = 0 by transforming the second inequality of (7) into an equation. The resulting curve is a parabola with the focal point in B whose axis is parallel to the - Θ, rays. The same applies to the extreme right solution z R , where a parabola with the focal point in A results, the axis of which is parallel to the + Θ rays.
Für eine günstige Herstellung eines erfindungsgemässen Konzentrators kommt in Frage, die- sen wenigstens teilweise aus kreisbogenförmigen Segmenten (oder im Wesentlichen kreisbogenförmigen Segmenten im Hinblick auf die Henky - Funktion, s. dazu oben) auszubilden. For a favorable production of a concentrator according to the invention, it is possible to form it at least partially from circular-arc-shaped segments (or essentially circular-arc-shaped segments with regard to the Henky function, see above).
Figur 5 zeigt ein zweiteiliges Diagramm (Teile (a) und (b)) für die Ausbildung eines erfindungsgemässen, mehrere kreisbogenförmige Segmente aufweisenden Konzentrators 100 mit einen rim angle Φ = 60° und einen Akzeptanzwinkel 6in = 0,5° für eine Konzentrationsanordnung mit flachem, schematisch dargestelltem Absorber 101. Der Konzentrator 100 ist im Querschnitt dargestellt (Teil (a)), der durch eine Funktion z(x) beschrieben ist. Der Konzentrator 100 ist gebildet durch kreisbogenförmige Segmente 101, 102 und 103, die begrenzt sind durch den äussersten Punkt P0 und die Punkte Ni, N2 und den innersten Punkt N3. Zwei benachbarte Segmente haben einen gemeinsamen Punkt Νχ bzw. N2. Allgemein ausgedrückt sind j Segmente vorhanden, wobei j = 1 bis N, wobei 1 das äusserste Segment, hier das Segment 101 das bei P0 beginnt, bezeichnet. Ein Punkt auf dem j-ten Segment kann gefunden werden durch FIG. 5 shows a two-part diagram (parts (a) and (b)) for the formation of a concentrator 100 according to the invention and having a plurality of arcuate segments a rim angle Φ = 60 ° and an acceptance angle 6 in = 0.5 ° for a concentration arrangement with a flat, schematically illustrated absorber 101. The concentrator 100 is shown in cross section (part (a)), which is represented by a function z (x) is described. The concentrator 100 is formed by arcuate segments 101, 102 and 103 bounded by the outermost point P 0 and the points Ni, N 2 and the innermost point N 3 . Two adjacent segments have a common point Νχ or N 2 . Generally speaking there are j segments, where j = 1 to N, where 1 denotes the outermost segment, here the segment 101 starting at P 0 . A point on the jth segment can be found by
QO) = C, + r, (sin φ, - cos φ), (13) wobei rj den Krümmungsradius und Cj(Cx,j,Cz,j) das Zentrum des j-ten Segments bezeichnen und φ als Parameter dient, der einen maximalen Wert am äusseren Endpunkt <pouW und einen minimalen Wert am inneren Endpunkt φ,α; annimmt. Die Endpunkte jedes Segments sind die Punkte Nj , für die wiederum gilt:
Figure imgf000019_0001
ist.
QO) = C, + r, (sin φ, - cos φ), (13) where rj denotes the radius of curvature and Cj (Cx, j, Cz, j) the center of the jth segment and φ serves as a parameter, a maximum value at the outer endpoint <p ouW and a minimum value at the inner endpoint φ, α; accepts. The endpoints of each segment are the points N j , for which in turn:
Figure imgf000019_0001
is.
Da Gleichung (13) den Verlauf z(x) eines bogenförmigen Segmentes des zu bestimmenden Konzentrators wiedergibt, kann (13) in Gleichung (5) eingesetzt werden, womit für das j-te Segment gilt: Since equation (13) represents the curve z (x) of an arcuate segment of the concentrator to be determined, (13) can be used in equation (5), with the following for the jth segment:
* sc (ψ\ Θ) = CX + r. sin φ + tan(<p - 20)(Cz j - η cos φ)* sc (ψ \ Θ) = C X + r. sin φ + tan (<p-20) (C zj - η cos φ)
Figure imgf000019_0002
Figure imgf000019_0002
+ tan(< - 2Θ)[ΝΖ ._, - r} (cos φ - cos φ]_ )]. + tan (<- 2Θ) [Ν Ζ ._, - r } (cos φ - cos φ ] _)].
Das bedeutet, dass für das j-te Segment eine eigene Funktion z des Konzentratorquerschnitts (Gleichung (13)) gebildet worden ist, was natürlich auch für die anderen Segmente des Konzentrators getan werden kann, so dass damit erfindungsgemäss ein Verfahren vorliegt, bei welchem bevorzugt die Funktion z aus mehreren Funktionen zN für einen jeweiligen Teilbereich BN des Bereichs B (Diagramm (b) von Figur 5) gebildet wird. Besonders bevorzugt ist hier wenigstens eine Funktion zN eine Kreisgleichung, s . Gleichung (13). This means that a separate function z of the concentrator cross-section (equation (13)) has been formed for the j-th segment, which of course can also be done for the other segments of the concentrator, so that according to the invention there is a method in which preferred the function z is formed from a plurality of functions z N for a respective subarea B N of the area B (diagram (b) of FIG. 5). Particularly preferred here is at least one function z N a circle equation, s. Equation (13).
Nun ist es wünschenswert, so wenige Segmente wie möglich vorzusehen, wobei natürlich die Differentialungleichungen (7) befriedigt sein müssen, damit maximale geometrische Konzentration Cg vorliegt. Für diese Rechnung wird, wie oben erwähnt, beim Punkt P0, d.h. bei x = x0 begonnen und nach links zu x = 1 gearbeitet. Der äussere Punkt des 1. Segments ist N0 = P0, die Steigung beträgt dort Der Krümmungsradius des ersten Segments 101 wird so gewählt, dass die Funktion u des Brennbereichs nach Gleichung (14) für den + Θ, Randstrahl 104 ein Maximum hat bei u = 1, wie dies in der Figur im Teil (b) des Diagramms ersichtlich ist. Da nun ri bestimmt ist, ist es das erste Segment 101 ebenfalls, sobald für dessen Parameter cp der Wert φΐη ,ι · gewählt ist. Für die minimale Anzahl Segmente soll sich das Segment 101 soweit wie möglich erstrecken, darf dabei aber die Differentialungleichung (7) nicht verletzen. Dies wird sicher gestellt, indem <pin i SO gewählt wird, dass uf|atiAs(<Pin,i, - 9 = -1 nicht verletzt wird, d.h. der - θ| Randstrahl 105 den Wert für u = -1 nicht überschreitet . Damit ist das erste Segment 101 definiert. Now it is desirable to provide as few segments as possible, and of course the differential inequalities (7) must be satisfied for maximum geometric concentration C g to be present. As mentioned above, this calculation starts at point P 0 , ie at x = x 0 , and works to the left at x = 1. The outer point of the first segment is N 0 = P 0 , the slope is there. The radius of curvature of the first segment 101 is chosen such that the function u of the focal region has a maximum for the + Θ, edge ray 104 according to Equation (14) u = 1, as can be seen in the figure in part (b) of the diagram. Since ri is now determined, it is the first segment 101 as well, as soon as the value φΐη, ι · is selected for its parameter cp. For the minimum number of segments, the segment 101 should extend as far as possible, but must not violate the differential inequality (7). This is ensured by choosing <p in i SO such that u f | Ati As (<Pin, i, - 9 = -1 is not violated, ie the - θ | marginal ray 105 does not exceed the value for u = -1, so that the first segment 101 is defined.
Da die benachbarten Segmente 101, 102 und 103 einen gemeinsamen Punkt und in diesem dieselbe Steigung haben sollen, folgt, dass gilt
Figure imgf000020_0001
Vmj- Damit kann die oben beschriebene Prozedur für das 2. Segment 102 wiederholt werden, da Ort und Steigung des ersten Punkts x bekannt sind und von dort aus wiederum der Krümmungsradius r2 so gewählt werden kann, dass der maximale Wert für uf|atiSegment(<Pout i ,+ θ,) = 1 (Randstrahl 104 im 2. Segment) ist, wie dies im Teil (b) der Figur dargestellt ist, wo im 2. Segment der u Wert für den + θί - Randstrahl 104 den Betrag 1 annimmt, aber nicht überschreitet. Danach wird innere Wert <ρ/Πι2 des Parameters cp des 2. Segments über Ufiat|Segment((p/n 2 ,- θ,) = - 1 bestimmt, woraus sich der Punkt N2 ergibt. Von diesem aus werden die weiteren Segmente bestimmt, so lange, bis ein Segment die x Koordinate x = 1 überquert, der Konzentrator also vollständig bestimmt ist. Der Index j an diesem Ort ergibt die Anzahl Segmente, hier ist N =3.
Since the adjacent segments 101, 102 and 103 are to have a common point and the same slope in this, it follows that
Figure imgf000020_0001
Thus, the procedure described above for the second segment 102 can be repeated, since the location and slope of the first point x are known and from there the radius of curvature r 2 can again be chosen such that the maximum value for u f | atiS egment (<Pout i, + θ,) = 1 (edge ray 104 in the 2nd segment) is, as shown in part (b) of the figure, where in the 2nd segment the u value for the + θ ί edge ray 104 assumes the amount 1, but does not exceed. Then the inner value <ρ / Πι2 of the parameter cp of the 2nd segment is determined via Ufi at | Segment ((p / n 2 , - θ,) = - 1, resulting in the point N 2 Segments is determined until a segment crosses the x coordinate x = 1, ie the concentrator is completely determined, and the index j at this location gives the number of segments, where N = 3.
Die Segmente 101 bis 103 erstrecken sich von x = 1 bis x0, die Konstruktion befriedigt die Differentialungleichungen (7) mit der Folge, dass der aus den kreisbogenförmigen Segmenten 101 bis 103 bestehende Konzentrator die maximale geometrische Konzentration Cg erlaubt. Im Ergebnis wird durch das erfindungsgemässe Verfahren der Teilbereich BN für die Funktion zN begrenzt durch den Ort, wo die auf der Funktion zN basierende Differentialfunktion u den Bereich Bbegrenzt durch u = +1 und u = -1 verlässt, wie dies im Diagramm (b) von Figur 5 ersichtlich ist. Da hier u = +1 und u = -1 die beiden extremen Werte für u sind, gilt allgemein, dass der Teilbereich BN für die Funktion zN begrenzt ist durch den Ort, wo die auf der Funkti- on zN basierende Differentialfunktion u den Bereich B gebildet aus den beiden extremen Lösungen der Funktion u verlässt (wobei u hier für die vorbestimmten Werte von von ± Θ, und Φ aufgestellt ist). Dabei wird die Ausdehnung des Teilbereichs BN maximiert, indem wenigstens ein Parameter der Funktion zN entsprechend optimiert wird. Im Fall der Kreisbogenförmigen Segmente ist dies über die Optimierung des Krümmungsradius der Kreisgleichung geschehen, im Fall einer anderen gewünschten Kontur kann der Fachmann den analogen Parameter identifizieren und anpassen. The segments 101 to 103 extend from x = 1 to x 0 , the construction satisfies the differential inequalities (7), with the result that the concentrator consisting of the arcuate segments 101 to 103 allows the maximum geometric concentration C g . As a result, by the method according to the invention, the subrange B N for the function z N is bounded by the location where the derivative function u based on the function z N leaves the range B bounded by u = + 1 and u = -1, as in the diagram (b) can be seen from Figure 5. Since u = +1 and u = -1 are the two extreme values for u, it is generally the case that the subrange B N for the function z N is bounded by the location where the functions On the basis of z N , the differential function u leaves the region B formed by the two extreme solutions of the function u (where u is placed here for the predetermined values of ± Θ, and Φ). In this case, the expansion of the subarea B N is maximized by optimizing at least one parameter of the function z N accordingly. In the case of the arcuate segments, this is done by optimizing the radius of curvature of the circle equation, in the case of another desired contour, the skilled person can identify and adapt the analog parameter.
Zusammenfassend ist es so, dass bevorzugt eine erste Funktion zx beginnend im äussersten Punkt P0 angenommen und erster Bereich B 1 begrenzt wird durch den Ort, wo die Funktion zx die Grenzen der Differentialfunktion u verlässt und wobei im anschliessenden Intervall h für die Funktion z2 die Steigung von Zi am Ort des gemeinsamen Punktes der Funktionen Zi und z2 übernommen wird, und so fort, bis das ganze Intervall I durchschritten ist. in der dargestellten Ausführungsform ist die minimale Anzahl kreisbogenförmiger Segmente realisiert. Natürlich kann auch eine grössere Anzahl von Segmenten vorgesehen werden, je nach den Bedürfnissen im konkreten Fall. Ebenso kann eine andere Kontur der Segmente vorgesehen werden, indem an Stelle der Elemente für einen Kreis (Krümmungsradius und Zentrum des Kreises) die Parameter für die andere Kontur in die Gleichung (5) eingesetzt werden und dann analog zum oben beschriebenen Verfahren die Konzentratorfunktion z bestimmt wird. Dies erlaubt auch, ein (oder mehrere) ebene Segmente vorzusehen, oder möglicherweise sogar ein konvex geformtes, immer so weit, bzw. derart angeordnet und ausge- bildet, das die Differentialungleichungen (7) befriedigt bleiben. In summary, it is preferable that a first function z x is assumed starting at the outermost point P 0 and the first area B 1 is bounded by the location where the function z x leaves the limits of the differential function u and in the subsequent interval h for the function z 2 the slope of Zi is taken over at the location of the common point of the functions Zi and z 2 , and so on, until the entire interval I has passed. In the illustrated embodiment, the minimum number of arcuate segments is realized. Of course, a larger number of segments can be provided, depending on the needs in the specific case. Likewise, another contour of the segments can be provided by substituting the parameters for the other contour in equation (5) instead of the elements for one circle (radius of curvature and center of the circle) and then determining the concentrator function z analogously to the method described above becomes. This also makes it possible to provide one (or more) planar segments, or possibly even a convex one, always so far, and arranged and designed so that the differential inequalities (7) remain satisfied.
Die Punkte N] können auch verschoben werden, beispielsweise dann, wenn das letzte, innerste Segment sich über die Koordinate x = nach innen erstreckt. Dann ist es denkbar, mit dem innersten Segment gegen aussen "zurückzufahren", maximal bis dessen innerer Punkt in j am Ort x = l liegt und entsprechend die anschliessenden, äusseren Segmente ebenfalls zurückzufahren oder eines dieser Segmente zu kürzen. Diese Flexibilität hat, da nach wie vor die Differentialungleichungen (7) befriedigt sind, keinen Einfluss auf die Konzentration Cg. Bevorzugt werden die kreisbogenförmigen Segmente (oder wenigstens eines) durch eine reflektierende, flexible im Betrieb druckbelastete Membran gebildet, analog zu der Konfiguration von Figur lb. Weiter bevorzugt erstreckt sich dann die reflektierende Membran über mehrere Segmente des Konzentrators, s. ebenfalls Figur lb. Der erforderliche Krümmungsradius kann durch den Fachmann wie folgt eingestellt werden: The points N] can also be shifted, for example when the last, innermost segment extends inwards over the coordinate x =. Then it is conceivable to "drive back" with the innermost segment towards the outside, maximally until its inner point i nj is at location x = 1, and accordingly also to retract the subsequent outer segments or to shorten one of these segments. Since the differential inequalities (7) are still satisfied, this flexibility has no influence on the concentration C g . Preferably, the arcuate segments (or at least one) are formed by a reflective, flexible pressure-loaded membrane in operation, analogous to the configuration of Figure lb. More preferably, then the reflective membrane extends over several segments of the concentrator, s. also Figure lb. The required radius of curvature may be adjusted by one skilled in the art as follows:
Die Krümmung einer druckbeaufschlagten Membran wird durch die dem Fachmann bekannte Beziehung T0 = PoRo beschrieben. T0 ist die am Rand der Membran durch deren Einspan- nung in diese eingeleitete Linienspannung (N/m, d.h. die pro m Membranlänge wirkende Kraft, wobei es auf die Dicke der Membran nicht ankommt). p0 ist der auf der Membran lastende, deren kreisbogenförmige Krümmung verursachende (Differenz)Druck und R0 der resultierende Krümmungsradius der Membran. Bei gegebenem Druck p0 kann also über die Variation der Linienspannung T0, d.h. der Kraft, mit der die Membran vorgespannt oder abgespannt ist, die Länge des Krümmungsradius R0 eingestellt werden. The curvature of a pressurized membrane is described by the relationship T 0 = PoRo known to those skilled in the art. T 0 is the line voltage (N / m, ie the force acting per m membrane length at the edge of the membrane as a result of its clamping into it), whereby the thickness of the membrane does not matter). p 0 is the pressure on the membrane, the (arcuate) curvature causing (difference) pressure and R 0 the resulting radius of curvature of the membrane. At a given pressure p 0 , therefore, the length of the radius of curvature R 0 can be adjusted via the variation of the line tension T 0 , ie the force with which the membrane is prestressed or unclamped.
Bevorzugt weist damit der erfindungsgemässe Konzentrator die folgenden Strukturelemente auf, die der Fachmann geeignet kombinieren kann: The concentrator according to the invention therefore preferably has the following structural elements which the person skilled in the art can suitably combine:
111 Der Konzentrator weist wenigstens ein im Wesentlichen kreisbogenförmiges Segment auf, 111 The concentrator has at least one essentially arcuate segment,
* Der Konzentrator besteht aus im Wesentlichen kreisbogenförmigen Segmenten, * The concentrator consists of essentially arcuate segments,
* Der Konzentrator weist wenigstens ein im Wesentlichen ebenes Segment auf,* The concentrator has at least one substantially planar segment,
Der Konzentrator weist eine reflektierende, flexible, im Betrieb druckbelastete Membran auf, die sich vorzugsweise über mehrere Segmente des Konzentrators erstreckt, The concentrator has a reflective, flexible, pressure-loaded during operation membrane preferably extends over a plurality of segments of the concentrator,
Die reflektierende Membran des Konzentrators liegt segmentweise auf weiteren Membranen auf, derart, dass die Segmente eine unterschiedliche Krümmung aufweisen. The reflective membrane of the concentrator is placed in segments on other membranes, such that the segments have a different curvature.

Claims

Patentansprüche claims
1. Konkaver Konzentrator (28, 100), dadurch gekennzeichnet, dass er nicht parabolisch, aber derart ausgebildet ist, dass im Betrieb seine geometrische Konzentration Cg im We- sentlichen derjenigen seiner Referenzparabel mit gleich ausgebildetem Absorber1. Concave concentrator (28, 100), characterized in that it is not parabolic, but designed such that in operation its geometric concentration C g substantially those of its reference parabola with the same trained absorber
(26,40,90) entspricht, die mit dem konkaven Konzentrator (100) für achsparallel einfallende Zentralstrahlen (32) der Sonne (33) den Akzeptanzwinkel 9in sowie den rim angle Φ gemeinsam hat. (26, 40, 90), which has the acceptance angle θ in and the rim angle Φ in common with the concave concentrator (100) for axially parallel incident central rays (32) of the sun (33).
2. Konkaver Konzentrator nach Anspruch 1, wobei dieser wenigstens ein im Wesentlichen kreisbogenförmiges Segment (101,102,103) aufweist. 2. concave concentrator according to claim 1, wherein it has at least one substantially circular arc-shaped segment (101,102,103).
3. Konkaver Konzentrator (100) nach Anspruch 1, wobei dieser aus im Wesentlichen kreisbogenförmigen Segmenten(101,102,103) besteht. 3. concave concentrator (100) according to claim 1, wherein it consists of substantially circular arc-shaped segments (101,102,103).
4. Konkaver Konzentrator nach Anspruch 1, wobei dieser wenigstens ein im Wesentlichen ebenes Segment aufweist. A concave concentrator according to claim 1, wherein it has at least one substantially planar segment.
5. Konkaver Konzentrator nach Anspruch 1, wobei dieser als Dish-Konzentrator ausgebildet ist. 5. concave concentrator according to claim 1, wherein this is designed as a dish concentrator.
6. Konkaver Konzentrator (100), wobei dieser eine reflektierende, flexible, im Betrieb druckbelastete Membran aufweist, die sich vorzugsweise über mehrere Segmen- te(101,102,103) des Konzentrators erstreckt. 6. concave concentrator (100), wherein this has a reflective, flexible, pressure-loaded in operation membrane, which preferably extends over several segments te (101,102,103) of the concentrator.
7. Konkaver Konzentrator (100) nach Anspruch 6, wobei die reflektierende Membran segmentweise auf weiteren Membranen aufliegt, derart, dass die Segmente (101,102,103) eine unterschiedliche Krümmung aufweisen. 7. concave concentrator (100) according to claim 6, wherein the reflective membrane rests in segments on other membranes, such that the segments (101,102,103) have a different curvature.
8. Verfahren zum Herstellen eines konkaven Konzentrators (28, 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus vorbestimmten Werten für den Akzeptanzwinkel Θ, und dem rim angle Φ eine Funktion z des Konzentratorquerschnitts derart bestimmt wird, dass z die Differentialungleichungen für eine Funktion u des Brennbereichs erfüllt, und dass der Konzentrator (28,100) der Funktion z entsprechend mit einem gewünschten Wert für ai ausgebildet wird. 8. A method for producing a concave concentrator (28, 100) according to claim 1, characterized in that from predetermined values for the acceptance angle Θ, and the rim angle Φ a function z of the concentrator cross section is determined such that z the differential inequalities for a function u of the firing area, and that the concentrator (28, 100) of the function z is formed corresponding to a desired value of ai.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zur Bestimmung der Funktion z die beiden extremen Lösungen der Differentialungleichungen für die Funktion u für die vorbestimmten Werte des Akzeptanzwinkels θι und des rim angles Φ und daraus die beiden extremen Lösungen für z' bestimmt werden, und in dem durch diese gebildeten Bereich B' eine spezifische Lösung für die Funktion z' ausgewählt und durch Integration als Funktion z für die Ausbildung des Konzentrators verwendet wird. 9. The method of claim 8, wherein for determining the function z, the two extreme solutions of the differential inequalities for the function u for the predetermined values of the acceptance angle θι and the rim angles Φ and therefrom the two extreme solutions for z 'are determined, and in the a specific solution for the function z 'is selected through this formed region B' and used by integration as a function z for the formation of the concentrator.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine möglichen Funktion z angenommen und überprüft wird, ob eine extreme Lösung der aus z gebildeten Differentialfunktion u den Gültigkeitsbereich BG verlässt, wobei dann z verworfen, sonst aber zur Ausbildung des Konzentrators verwendet wird. 10. The method according to claim 8, wherein a possible function z is assumed and it is checked whether an extreme solution of the differential function u formed from z leaves the validity range B G , in which case z is rejected, but otherwise used to form the concentrator.
11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine mögliche Funktion z angenommen, ihre Ableitung z' gebildet und diese dem Bereich B' eingeschrieben wird, der bestimmt ist aus den extremen Lösungen von z', die ihrerseits durch die extremen Lösungen für die Differentialfunktion u gegeben sind, wobei die mögliche Funktion z verworfen wird, wenn ihre Ableitung z' diesen Bereich verlässt. A method according to claim 8, wherein a possible function z is assumed to form its derivative z 'and to write it to the region B' determined from the extreme solutions of z 'given in turn by the extreme solutions to the differential function u are, where the possible function z is discarded when its derivative z 'leaves this area.
12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Funktion z aus mehreren Funktionen zN für einen jeweiligen Teilbereich BN des Bereichs B gebildet wird. 12. The method of claim 8, wherein the function z is formed of a plurality of functions z N for a respective portion B N of the area B.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Teilbereich BN für die Funktion zN begrenzt wird durch den Ort, wo die auf der Funktion zN basierende Funktion u den Bereich B, gebildet aus den beiden extremen Lösungen der Funktion u, für die vorbestimmten Werte von ± 9, und Φ verlässt. 13. The method of claim 12, wherein the subrange B N for the function z N is bounded by the location where the function u based on the function z N comprises the range B formed from the two extreme solutions of the function u for the predetermined ones Values of ± 9, and Φ leaves.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Ausdehnung des Teilbereichs BN maximiert wird, indem wenigstens ein Parameter der Funktion zN entsprechend optimiert wird. 14. The method of claim 12, wherein the extent of the portion B N is maximized by optimizing at least one parameter of the function z N accordingly.
15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei wenigstens eine Funktion zN eine Kreisgleichung ist. 15. The method of claim 12, wherein at least one function z N is a circle equation.
16. Verfahren nach Anspruch 14 und 15, wobei für die Maximierung des Teilbereichs BN der Krümmungsradius der Kreisgleichung optimiert wird. 16. The method of claim 14 and 15, wherein for maximizing the portion B N of the radius of curvature of the circle equation is optimized.
17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine erste Funktion Zi beginnend im äussersten Punkt P0 angenommen und deren erster Bereich B i begrenzt wird durch den Ort, wo die17. Method according to claim 12, wherein a first function Zi is assumed starting at the outermost point P 0 and its first region B i is bounded by the location where the
Funktion rx den Bereich der beiden extremen Lösungen der Differentialfunktion u ver- lässt und wobei im anschliessenden Intervall l2für die Funktion z2 die Steigung von zx am Ort des gemeinsamen Punktes der Funktionen zx und z2 übernommen wird, und so fort, bis das ganze Intervall I durchschritten ist. Function r x leaves the range of the two extreme solutions of the differential function u, and in the subsequent interval l 2 for the function z 2 the slope of z x at the location of the common point of the functions z x and z 2 is adopted, and so on until the entire interval I has passed.
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