WO2015135087A1

WO2015135087A1 - Solarkonzentrator

Info

Publication number: WO2015135087A1
Application number: PCT/CH2015/000041
Authority: WO
Inventors: Gianluca AMBROSETTI; Thomas Cooper; Beat Stump
Original assignee: Airlight Energy Ip Sa
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung zeigt einen Konzentrator mit kreisbogenförmigen Segmenten, deren Brennbereiche nicht zusammenfallen und ein dadurch realisierbares aplanatisches Zweispiegelsystem für die Konzentration von Sonnenstrahlung. Ebenfalls gezeigt ist ein aplanatisches Zweispiegelsystem mit nur einem kreisbogenförmigen Segment. Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgmässen Konzentratoren geht aus von der analytischen Gleichung der Konzentratoren, wobei diese in Abschnitte zerlegt und jedem Abschnitt ein kreisbogenförmiges Segment eingeschrieben wird, dessen Krümmungsradius einem Mittelwert der Krümmungsradien des analytisch definierten Konzentrators im jeweiligen Abschnitt entspricht.

Description

Solarkonzentrator

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Konzentrationsanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 2, einen Konzentrator nach Anspruch 13 sowie ein Verfahren zur Herstellung solch eines Konzentrators und einer Konzentrationsanordnung Anspruch 21,

Sonnenkollektoren mit Konzentrationsanordnungen der genannten Art 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.

Schliesslich kann die durch den Sonnenkollektor konzentrierte Sonnenstrahlung auch photo- voltaisch genutzt werden.

Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish -Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme. 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 können, 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.

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. Konzentra- toren im Absorber konzentriert und so Temperaturen bis zu 1300 ° C erreicht werden, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Maschinen (in der Regel ein Dampf- oder Fluidturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung) günstig ist. Die Anlage "Solar two" in Kalifornien besitzt eine Leistung von mehreren MW.

Parabolrinnenkraftwerke besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Konzentratoren mit vergleichsweise geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 250 m. In der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr für die konzentrierte Wärme, das diese zum Kraftwerk transportiert. Als Transportmedium kommt beispielsweise Thermo- öl oder überhitzter Wasserdampf in Frage, oder auch Luft. Zunehmend werden die im Absor- berrohr 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. Denkbar ist es auch, an Stelle eines Absorbers für konzentrierte Wärme eine photovoltaische Anordnung vorzusehen, so dass je nach der verwendeten Technologie im Absorberbereich entweder Wärme, Licht oder sowohl Wärme als auch Licht abgenommen werden.

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.

Der parabelförmige 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.

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 Liniensymmetrischen Konzentrator, und 45032 bei keinen symmetrischen Einschrän- kungen. 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 konkurrenzfähigen (d.h. bei- spielsweise subventionsfreien) Rahmen gehalten werden muss.

Dies erklärt, warum trotz der stets intensiv betriebenen technischen Weiterentwicklung Rin- nenkonzentratoren mit einer geometrischen Konzentration von über 60 nach wie vor technisch anspruchsvoll und entsprechend teuer herzustellen sind.

Ein realer Konzentrator mit hoher Konzentration, der aber gleichzeitig zu vergleichsweise tiefen Kosten herstellbar ist, wird in WO 2010 / 037243 vorgeschlagen. Dort wird offenbart, den parabelförmigen Querschnitt eines Konzentrators durch sphärische, an einander angrenzende Segmente einer reflektierenden Membran anzunähern, was erlaubt, die gewünschte, hö- here Konzentrationen durch eine vergleichsweise günstige Konstruktion zu erreichen. Die Approximation der Parabelform durch sphärische bzw. kreisförmige Segmente kann jedoch unter anderem zu sphärischer Aberration führen, d.h. zu einer Verschlechterung gegenüber der durch eine Parabel erreichbaren Konzentration. Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur Konzentration für einen Sonnenkollektor bereit zu stellen, der bei realistischen Kosten im industriellen Einsatz (beispielsweise Fertigung in hoher Stückzahl bzw. mit grossen Abmessungen), aber auch bei kleinen oder kleinsten Anwendungen, eine noch weiter verbesserte Konzentration ermöglicht.

Diese Aufgabe wird sowohl durch eine Konzentrationsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 bzw. von Anspruch 2 als auch durch einen Konzentrator nach Anspruch 12 und durch ein Verfahren zur Herstellung solch einer Konzentrationsanordnung bzw. solch eines Konzentrators gelöst.

Dadurch, dass ein Primärkonzentrator mehrere kreisbogenartig gekrümmte, reflektierende Segmente aufweist, kann beispielsweise ein vom konventionellen parabolischen Einspiegelsystem abweichendes Zweispiegelsystem, basierend auf einem aplanatischen Konzept realisiert werden, da die Auflösung eines aplanatischen Primärspiegels in kreisbogenförmige Segmente den Bau von aplanatischen Primärkonzentratoren erstmals überhaupt ermöglicht. Apianatische Primärkonzentratoren besitzen andere Konzentrationseigenschaften als parabolische Konzentratoren, d.h. im Gegensatz zu diesen wird nicht einfach ein möglichst kleiner Brennlinienbereich angestrebt, sondern eine Strahlungsverteilung, die für ein nachgeschalte- tes optisches Element, hier den nachgeschalteten Sekundärkonzentrator, optimal ist. Dies eröffnet den Weg zu Konzentrationen, welche diejenigen von parabolischen Konzentratoren übertreffen können - oder im Leistungsbereich von parabolischen Konzentratoren einfacher bzw. günstiger auch in grössten Dimensionen hergestellt werden können. Dadurch, dass ein Primärkonzentrator wenigstens ein im Wesentlichen kreisbogenartig gekrümmtes Segment aufweist, kann dieser mit vernünftigen, d.h. für die industrielle Produktion vertretbaren Kosten hergestellt werden, obschon solch ein Zweispiegelsystem die Leistungsfähigkeit eines mit höchster Genauigkeit hergestellten parabolischen Konzentrators besitzen oder übertreffen kann. Ausserdem ist im Solarfeld eine modulare Kombination von solchen Zweispiegelsystemen möglich, welche gegenüber Systemen mit mehreren kreisbogenförmigen Segmenten im Primärkonzentrator Vorteile in der Anordnung der Sonnenkollektoren eines Solarkraftwerks oder in der Kostenstruktur besitzen.

Dadurch, dass bei gleichem Auffangfaktor (AF) das wenigstens eine Segment solch eines Primärkonzentrators, der Sekundärkonzentrator und die Absorbereinrichtung derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die wirksame Absorberoberfläche gleich oder kleiner ist als diejenige einer Referenzparabel, ergibt sich, dass die Konzentration eines parabelförmigen Spiegels bei vertretbaren Kosten erreicht oder übertrifft, und somit gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.

Dadurch, dass durch ein Verfahren zur Fortbildung eines Aplanats als reale Konzentratoran- ordnung das aplanatische Konzept überhaupt realisierbar wird, ergibt sich die Möglichkeit, in einer realen Konzentratoranordnung eine Konzentration zu erreichen, welche neben der Konzentration der realen parabolischen Konzentratoren sogar diejenige eines ideal paraboli- sehen Konzentrators erreicht oder übertrifft.

Dadurch, dass ein konkaver Konzentrator mit einer reflektierenden Zone bereitgestellt wird, die wenigstens zwei für die Konzentration von einfallender Strahlung in die gleiche Richtung orientierte kreisbogenförmige Segmente aufweist, deren Brennbereiche nicht zusammenfal- len, d.h. wenigstens teilweise neben einander liegen, kann überraschenderweise ein bloss analytisch oder numerisch beliebig definierter, d.h. vom Konzept des parabolischen Konzent- rators abweichender Konzentrator bereitgestellt werden, der trotz komplexer Formgebung technisch vergleichsweise einfach herstellbar ist. Dadurch, dass in einer bevorzugten Ausfüh- rungsform eine Anordnung mit einer sich durchgehend über mehrere Segmente erstreckenden, druckbelasteten reflektierenden Membran verwendet wird, kann solch ein Konzentrator besonders einfach und damit günstig hergestellt werden.

Mit solch einem konkaven Konzentrator eröffnet sich ein weites Feld zur Ausbildung von ver- besserten Konzentratoranordnungen, von Einspiegel - Anwendungen über Zweispiegel - Anwendungen beispielsweise gemäss der hier vorliegenden Anwendung, bis hin zu Anwendungen aller Art mit oder ohne noch weiteren optischen Elementen.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert, wobei zuerst die Struktur der erfin- dungsgemässen Konzentrationsanordnung und des erfindungsgemässen Konzentrators, dann ein Herstellverfahren und schliesslich anhand einer Simulationsrechnung der Fluss der Strahlung dargestellt wird, woraus sich ergibt, dass die erfindungsgemässe Struktur (die Konzent- rationsanordung, hier als Zweispiegelsystem, sowie der nicht parabolische, ein- oder Mehrsegment - Konzentrator als solcher) in der Tat erfindungsgemäss funktionsfähig ist. Obschon die Simulationsrechnung auf einem Rinnenkonzentrator basiert, sei noch einmal angemerkt, dass auch in allen Ausführungsformen auch eine runde Dish - Konzentrationsanordnung bzw. runder Konzentrator erfindungsgemäss ist.

Es zeigt:

Figur la schematisch einen konventionellen Rinnenkollektor mit einer druckbelasteten Konzentrator - Membran,

Figur 1b einen Querschnitt durch die Konzentrator - Anordnung für einen Einspiegel Son- nenkollektor nach dem Stand der Technik, mit parabolischem Querschnitt

Figur 2a einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Konzentrationsanordnung mit festen Konzentrator - Segmenten, Figur 2b den Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Konzentrationsanordnung mit flexiblen, druckbelasteten Konzentrator - Segmenten,

Figur 2c zeigt einen Vergleich zwischen einer Ein - Segment Ausführungsform des Primär- konzentrators der erfindungsgemässen Konzentrationsanordnung (Teilausbildung) und ihrer Referenzparabel,

Figur 3a zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf des Krümmungsradius eines aplanatischen Primärspiegels und mit den Abschnitten denen kreisbogenförmige Segmente einge- schrieben werden,

Figur 3b zeigt ein Diagramm mit dem Querschnitt durch einen nach dem erfindungsgemässen Verfahren ausgebildeten Primärkonzentrator im Vergleich mit dem zu Grunde liegenden aplanatischen Primärspiegel

Figur 4a zeigt schematisch, aber masstäblich ein Teil - Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform gemäss der vorliegenden Erfindung,

Figur 4b zeigt schematisch, aber masstäblich das Diagramm von Figur 4a mit den Krüm- mungszentren der Segmente des Primärkonzentrators,

Figur 5a ein Diagramm mit dem Verlauf der durch die Konzentrationsanordnung gemäss den Figuren 4a und 4b konzentrierten Strahlung gemäss einer Simulation, Figur 5b ein Diagramm mit dem Fluss der auf das Absorberelement einfallenden Strahlung der Anordnung gemäss den Figuren 4a und 4b, und im Vergleich den Fluss im Fall eines nicht zugeschnittenen Sekundärkonzentrators, eines idealen Aplanats und dem Fluss aufgrund der Referenzparabel zum Primärkonzentrator, und Figur 5c ein Diagramm mit dem Verlauf des Auffangfaktors des Flusses für die Anordnung gemäss den Figuren 4a und 4b, im Fall eines nicht zugeschnittenen Sekundärkonzentrators, eines idealen Aplanats und den Auffangfaktor im Fall der Referenzparabel zum Primärkonzentrator. 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.

Die Membran 3 ist für Sonnenstrahlen 7 durchlässig, die im Inneren der Druckzelle 2 auf eine Konzentrator-Membran 15 (Figur lb) 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.

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.

Figur lb zeigt einen Querschnitt durch eine Ein-Spiegel 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:

Eine Konzentrator-Membran 15 ist innerhalb einer Druckzelle 16 im Betrieb druckbelastet aufgespannt, wobei der Betriebsdruck für die Konzentratormembran und für dieser zugeordnete Spannmembrane 15', 15" durch eine Reihe von bevorzugt als Ventilatoren ausgebifde- ten Fluidpumpen 16 bis 19 erzeugt wird. Die Konzentrator-Membran 15 konzentriert Sonnenstrahlung 7,7' auf ein Absorberrohr 20. 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 kon- zentriert, 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.

Figur 2 a zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Teil eines Sonnenkollektors 24 mit einer erfindungsgemässen Konzentrationsanordnung 25, die neben einem Sekundärkonzentrator 30 einen konkaven, zu einer Symmetrieachse 26 symmetrisch aufgebauten, aber nicht parabolisch ausgebildeten Primärkonzentrator 29 aufweist. Diese Konzentrationsanordnung 25 (wie auch die in den folgenden Figuren gezeigten Ausführungsformen) kann für einen Rin- nenkonzentrator, aber auch für einen Dish - Konzentrator realisiert werden (beispielsweise bei Rotation um die Symmetrieachse 26). Zudem ist es auch erfindungsgemäss, den Primärkonzentrator nur teilweise auszubilden, wobei dann aber der realisierte Abschnitt natürlich in der Kontur des vollen Primärkonzentrators 29 liegt.

In Betrieb ist die Konzentrationsanordnung 25 auf die Sonne ausgerichtet, so dass die Sym- metrieachse 26 zur Einfallsrichtung der aus dem Zentrum der Sonne stammenden Sonnenstrahlen (die vorliegend Zentralstrahlen genannt werden) parallel verläuft.

Die Konzentrationsanordnung 25 weist die beiden primären, bezüglich der Symmetrieachse und damit auch bezüglich der Zentralstrahlen zu einander symmetrischen primären Halbkon- zentratoren 29',29" des Primärkonzentrators 29 auf, ebenso einen Sekundärkonzentrator 30 mit seinen beiden sekundären Halbkonzentratoren 30',30". Der Sekundärkonzentrator 30 ist dem Primärkonzentrator 29 zugewendet, d.h. deren reflektierende Oberflächen sehen sich gegenseitig an. Der Vollständigkeit halber sei hier angemerkt, dass der Sekundärkonzentrator wie in der Figur dargestellt ausgebildet werden kann (gegenüber dem ihn beleuchtenden primären Halbkonzentrator auf der anderen Seite der Symmetrielinie positioniert) oder als Sekundärkonzentrator, der sich auf derselben Seite der Symmetrielinie befindet, wie der ihn beleuchtende primäre Halbkonzentrator. Weiter weist die Konzentrationsanordnung 25 ein auf geeignet ausgebildeten Stützen 31 gelagertes Absorberelement 32 auf, welches wiederum in der hier gezeigten Ausführungsform eine dem Sekundärkonzentrator 30 zugewendete flache Absorberoberfläche 33 mit einem wirksamen Absorberabschnitt 34 besitzt, der die Abmessung 34' aufweist. Mit einem wirk- samen Absorberabschnitt bzw. einer wirksamen Absorberoberfläche AOF wird in der vorliegenden Beschreibung derjenige Bereich des Absorbers (sei dieser als Absorber für Wärme oder für Licht - dann beispielsweise photovoltaisch - bzw. für Licht und Wärme ausgebildet) bezeichnet, der konzentrierte Strahlung auffängt und bestimmungsgemäss verwertet. Weitere Ausführungsformen umfassen andere Absorberelemente, beispielsweise mit rohrförmi- gern Querschnitt oder auch, wie erwähnt, am Ort der wirksamen Absorberoberfläche AOF angeordnete photovoltaische Zellen.

Zur Entlastung der Figur sind der Rahmen 11 (Figur la) sowie die Aufhängung 10 (Figur la) des Sekundärkonzentrators 30 bzw. der sekundären Halbkonzentratoren 30' und 30" nur an- gedeutet. Diese Elemente kann der Fachmann für den konkreten Sonnenkollektor leicht entwerfen oder auch bereits im Stand der Technik realisierte Elemente einsetzen.

Die Konzentrationsanordnung 25 weist somit den Primärkonzentrator 29, den Sekundärkonzentrator 30 sowie das Absorberelement 31 auf und ist über den Rahmen 11 (s. auch Figur la) bzw. dessen Lagerung 4 (Figur la) verschwenkbar angeordnet, so dass im Betrieb die Symmetrieachse 26 laufend auf das Zentrum der Sonne ausgerichtet gehalten werden kann.

Jeder der primären Halbkonzentratoren Ist vorliegend in vier Abschnitte 36',36" bis 39',39" aufgeteilt (wie erwähnt kann deren Anzahl geeignet variiert werden), wobei in der gezeigten Ausführungsform die Abschnitte durch Längsrippen 40',40" bis 42',42" getrennt sind, die ihrerseits die in den Abschnitten 36',36" bis 39',39" angeordneten Segmente 43',43" bis 46',46" des jeweiligen primären Halbkonzentrators 29',29" lagern. In der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff "Abschnitt" für die geometrische Unterteilung als solche und der Begriff "Segment" für einen Teil des Konzentrators selbst verwendet.

Die Konzentrator - Segmente 43',43" bis 46',46" sind im Querschnitt kreisbogenförmig oder im Wesentlichen kreisbogenförmig ausgebildet und, wie es weiter unten beschrieben ist, bezüglich Lage und Krümmungsradius vorbestimmt angeordnet (der Krümmungsradius benachbarter Segmente ist bevorzugt verschieden und nimmt gegen aussen zu / die Brennbereiche einzelner Segmente fallen nicht zusammen). Die Segmente 43',43" bis 46',46" können verschieden ausgebildet sein, beispielsweise als feste Spiegel oder beispielsweise auch als im Betrieb druckbeaufschlagte Konzentratormembrane, wie dies in Figur 2b dargestellt ist. Weiter kann der Fachmann im konkreten Fall die Anzahl der Segmente 43',43" bis 46',46" geeig- net variieren, d.h. nur ein solches Segment, deren zwei, drei oder, wie in der Figur gezeigt, vier oder auch noch mehr Segmente vorsehen.

In der Figur ist weiter die Konstruktion des Rahmens 11 angedeutet, mit Stützen 47 für die Längsrippen 40',40" bis 42',42", wobei zur Entlastung der Figur der auf dem Untergrund ste- hende Rahmenteil sowie die Verschwenkanordnung 4 (s. Figur la) weggelassen sind.

Der Öffnungswinkel des Primärkonzentrators (oder einzigen Konzentrators) wird rim angle Φ genannt, hat seinen Scheitel im Brennpunkt F und wird zwischen der Symmetrieachse 26 und dem äussersten Rand des Konzentrators, hier dem äusseren Rand des Abschnitts 39' oder 39"' gemessen, s. die gestrichelte Linie 48. In den Figuren 2a und 2b ist eine Ausführungsform mit vergleichsweise grossem rim angle Φ dargestellt, der vorliegend etwa 85° beträgt, beispielsweise aber auch 60° betragen kann, je nach der Auslegung im konkreten Fall. Weiter zeigt die Figur den Beschattungswinkel θ, welcher die Grösse des inneren Bereichs der Halb- konzentratoren angibt, welcher durch den Sekundärkonzentrator beschattet ist.

Figur 2 b zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Konzentrationsanordnung 25 gemäss Figur 2a, nämlich eine Konzentrationsanordnung 50, deren Segmente aus flexiblen, im Betrieb druckbeaufschlagten Membrane 52',52" bis 55',55" mit einer reflektierenden Oberseite gebildet werden.

Die Konzentrationsanordnung 50 besitzt eine Druckzelle 51, die bei der gezeigten Ausführungsform aus einer für Sonnenstrahlen transparenten, oberen Druckzellenmembran 52 sowie den druckbeaufschlagten Membranen 52',52" bis 55',55" gebildet ist. Zur Entlastung der Figur sind die Fluidpumpen (bevorzugt für Luft) für den Überdruck in der Druckzelle 51 weg- gelassen.

Ebenfalls zur Entlastung der Figur weggelassen sind der Rahme 11, die Stützen 10 für den Sekundärkonzentrator 30 und die Verschwenkanordnung 4 (Figur la). Bevorzugt sind auf der Rückseite jeder der druckbeaufschlagten, (die Segmente bildenden) Membrane 52',52" bis 55',55" untere Druckzellenmembrane 56',56" bis 59',59" vorgesehen, die jeweils mit der zugeordneten Konzentratormembran 52',52" bis 55',55" eine untere Druckzelle 60',60" bis 63',63" bilden, welche je über eine zur Entlastung der Figur weggelas- sene Fluidpumpe unter Druck gesetzt werden kann, der jedoch kleiner ist als der Druck in der Druckzelle 51, so dass der Differenzdruck auf jede der Segmente bildende Membran 52',52" bis 55',55" vorbestimmt wirkt, diese damit im Betrieb auf Grund der Differenz - Druckbelastung einen vorbestimmt kreisbogenförmigen Querschnitt einnimmt und so durch ihre reflektierende Oberseite einfallende Strahlung in den Bereich des Sekundärkonzentrators 30 (aber nicht in den Brennpunkt F) konzentriert. Jede dieser unteren Druckzellen 60',60" bis 63',63" kann, zusammen mit der Druckzelle 27, als wie in der WO 2008 / 037108 beschriebene Einheit ausgebildet werden. Es ergibt sich, dass (wenigstens) ein Segment der Konzentrationsanordnung als flexible, im Betrieb druckbelastete reflektierende Membran ausgebildet ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine rotationssymmetrische (achsensymmetrische) druck- belastete Membran eine Form gemäss der Hencky - Funktion annimmt, welche geringe, vorliegend nicht wesentliche Abweichungen von der Kreisbogenform besitzt. Zur Vereinfachung kann deshalb in der vorliegenden Beschreibung von„kreisbogenförmig" gekrümmten Segmenten gesprochen werden, die beispielsweise im Fall der druckbelasteten Membran im Wesentlichen kreisbogenförmig ausgebildet sind.

Bevorzugt sind die Segmente 52', 52" bis 55', 55" derart ausgebildet, dass ein Sonnen - näheres Segment einen grösseren Krümmungsradius aufweist, als sein benachbartes, Sonnen - ferneres Segment. "Sonnen - näher" bzw. "Sonnen - ferner" ist in der vorliegenden Beschreibung auf die Betriebsstellung der Konzentrationsanordnung bezogen, bei welcher diese auf die Sonne ausgerichtet ist. "Sonnen - näher" entspricht dabei einem weiter aussen gelegenen Segment im Vergleich zu einem in der Konzentratoranordnung weiter innen (bei der Symmetrieachse) gelegenen Segment. in den dargestellten Ausführungsformen sind der Primär - und der Sekundärkonzentrator als Konzentratoren für einen Rinnenkollektor ausgebildet, können aber auch, wie oben erwähnt, beispielsweise bei Rotation des gezeigten Querschnitts um die Symmetrieachse für einen Dish-Konzentrator ausgebildet werden. Für die Auslegung der erfindungsgemässen Konzentrationsanordnung, insbesondere des Primärkonzentrators 29, sind die in der Figur eingetragenen Parameter s (Abstand der Scheitelpunkte S_P, S_s des Primärkonzentrators 29 und des Sekundärkonzentrators 30) und K (Abstand des Scheitelpunkts S_s des Sekundärkonzentrators 30 vom Brennpunkt F der Konzentra- tionsanordnung) massgebend. Ebenfalls Bedeutung hat der Ausgabewinkel (D_max, welcher den Winkel zwischen der Symmetrieachse bzw. einem Zentralstrahl 66 bis 68 der Sonne bei korrekter Ausrichtung im Betrieb und dem am stärksten geneigten, aus einem Zentralstrahl in den Brennpunkt F reflektierten Strahl 68 bezeichnet. Weiter relevant sind der Akzeptanzwinkel Q_m des Primärkonzentrators 29 zwischen der Symmetrieachse 26 bzw. einem Zentralstrahl 66 bis 68 der Sonne 70 und einem auf Grund des Sonnendurchmessers schräg einfallenden Randstrahls 71 der Sonne. Vorliegend wird ein Wert für den Akzeptanzwinkel θ_ίη von 0,27° verwendet. In der Figur ersichtlich sind weiter die Aperturweite a_ln der Konzentrationsanordnung und die wirksame Absorberoberfläche AOF, d.h. derjenige Abschnitt der Absorberoberfläche 34, welcher durch bei einem gegebenen Auffangfaktor AF beleuchtet wird. Der Auffangfaktor AF wiederum ist ein Mass für den Anteil an aufgefangener bzw. eingestrahlter Energie in W, die bestimm ungsgemäss verwertet wird. Wird beispielsweise verlangt, dass die Energie der gesamten unter dem Akzeptanzwinkel θ_ιη = 0,27° einfallende Strahlung durch das Absorberelement 31 absorbiert werden soll (AF = 100%), muss es einen entsprechend grosse wirksame Absorberoberfläche AOF aufweisen. Wenn diese kleiner ist, kann nur ein entsprechend kleinerer Anteil der eingestrahlten Energie verwertet werden.

Die geometrische Konzentration C_g der Konzentrationsanordnung 50 ergibt sich aus dem Wert von a_in /AOF, wobei AOF einen Auffangfaktor AF von 1 aufweist, also 100% der einem Akzeptanzwinkel θ_ίη entsprechenden eingestrahlten Energie auffängt. Für den Vergleich zwischen verschieden ausgebildeten Konzentrationsanordnungen kann auch die geometrische Konzentration C_g bei von 1 verschiedenem, aber jeweils gleichem Auffangfaktor AF verwendet werden. Dies kann dann sinnvoll sein, wenn beispielsweise auf Grund der Verteilung des Flusses der auf die Absorberoberfläche 34 einfallenden Strahlung ergibt, dass für einen kleinen, letzten Prozentsatz des Flusses eine zusätzlich vergleichsweise grosse wirksame Absorberoberfläche benötigt würde. Damit ist die Angabe der geometrischen Konzentration C_g eindeutig, wenn zusätzlich der Auffangfaktor AF angegeben wird.

Wie oben erwähnt, ist es nicht zwingend, eine Konzentrationsanordnung 25 (Figur 2a) oder 50 (Figur 2b) in der hier dargestellten Konfiguration (Vollausbildung) zu realisieren, mit einem konkaven, symmetrischen Primärkonzentrator. Denkbar ist beispielsweise, nur eine Hälfte (d.h. eine Teilausbildung) zu bauen, d.h. beispielsweise bestehend aus dem primären Halb- konzentrator 29", dem sekundären Halbkonzentrator 30' und dem Absorberelement 31. Für diesen Fall ergibt sich eine Aperturweite a_in, welche der Abmessung des primären Halbkon- zentrators 29" entspricht, wie sie in der Figur ebenfalls für den Halbkonzentrator 29" eingetragen ist. Dabei bleiben natürlich die anderen Parameter wie s, K, Ort von F und Lage und Anordnung der wirksamen Absorberoberfläche AOF und des zugehörigen sekundären Halbkonzentrators 30' unverändert. Weiter denkbar ist es, an Stelle des ganzen primären Halbkonzentrators 29" nur eines (oder mehrere) der Segmente 52' bis 55" mit dem zugehörigen Teilbereich des sekundären Halbkonzentrators 33' zu erstellen, je nach den Bedürfnissen im konkreten Fall wie Platzbedarf, d.h. Staffelung der Sonnenkollektoren etc. Auch in diesem Fall bleiben die anderen Parameter wie s und K (damit der Ort der Scheitelpunkte S_P und S_s), der Ort von F und Lage und An- Ordnung des Absorberelements 31 und des zugehörigen sekundären Halbkonzentrators 30' gleich. Mit anderen Worten ist es so, dass bei einer Teilausbildung (beliebige) Bereiche aus einer vollausgebildeten Konzentrationsanordnung weggeschnitten werden, also die verbleibenden Bereiche in ihrer Geometrie nicht verändert sind. Die im gleichen Halbkonzentrator 29\29" angeordneten Segmente 43',43" bis 46',46" (Figur 2a) bzw. als Segmente ausgebildete Membrane 52',52" bis 55', 55" werden vorliegend als gleichgerichtet bezeichnet, da sie einfallende Strahlen auf dieselbe Seite der Anordnung konzentrieren, während die in verschiedenen Halbkonzentratoren 29',29" angeordneten Segmente 43', 43" bis 46',46" (Figur 2a) bzw. als Segmente ausgebildete Membrane 52',52" bis 55',55" einander gegenüberliegen, also jeweils auf verschiedene Seiten der Anordnung konzentrieren, und deshalb als gegengerichtet bezeichnet werden.

Die Konzentrationsanordnung der vorliegend dargestellten Ausführungsformen weist entsprechend einen konkaven Primärkonzentrator, einem reflektierenden Sekundärkonzentra- tor sowie eine Absorbereinrichtung auf, wobei der Primärkonzentrator in einer Aperturbreite (a_ln) mehrere in der gleichen Richtung konzentrierende, im Wesentlichen kreisbogenartig gekrümmte, reflektierende Segmente aufweist. Dabei kann ein Segment als flexible, im Betrieb druckbelastete reflektierende Membran ausgebildet sein.

Figur 2c zeigt einen Vergleich zwischen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsge- mässen Konzentrationsanordnung 65 (Teilausbildung) und ihrer Referenzparabel 80 (die entsprechend ebenfalls eine Teilausbildung ist). Die Referenzparabel 80 besitzt die Eigenschaften eines idealen, parabolisch ausgebildeten Konzentrators und dient hier als Massstab für die die verbesserte geometrische Konzentration Cg der erfindungsgemässen Konzentrations- anordung 65 gegenüber den parabolischen Konzentratoren gemäss dem Stand der Technik.

Gezeigt ist hier eine aplanatische Konzentrationsanordnung 65 mit einer flach ausgebildeten, gegen oben gerichteten Absorberoberfläche 69, die (wie oben erwähnt) in der Ausführungs- form gemäss Figur 2c von nur einem kreisbogenförmigen Segment 77 über einen Sekundärkonzentrator 78 beleuchtet wird. Das kreisbogenförmige Segment 77 liegt auf der gestrichelt angedeuteten Kontur 79 für eine Vollausbildung des Primärkonzentrators, ebenso im Hinblick auf den Sekundärkonzentrator 68, der auf der gestrichelten Kontur 79 für einen vollausgebildeten Sekundärkonzentrator liegt.

Das Segment 77 kann also eines der in den Figuren 2a oder 2b gezeigten Segmente sein, und ist hier als einziges Segment realisiert, während die anderen Segmente weggelassen sind. (Natürlich kann das Segment 77 beliebig, beispielsweise ebenfalls als fester Spiegel oder als druckbelastete, flexible Membran ausgebildet sein.)

Die Symmetrielinie 76 verdeutlicht, dass die gezeigte Teilausbildung einen Ausschnitt aus einer vollen Ausbildung einer erfindungsgemässen Konzentrationsanordung darstellt.

Ein Zentralstrahl 71 der Sonne, sowie ein diesem gegenüber mit dem Akzeptanzwinkel θ_ίη einfallender (in der Figur: linker) Randstrahl 72 werden durch das Primär - Segment 67 zum Sekundärkonzentrator 78 reflektiert, d.h. ein erstes Mal konzentriert und von diesem weiter auf die flache Absorberoberfläche 69 konzentriert, wobei der Zentralstrahl 71 in den Brennpunkt F und der Randstrahl 72 auf den linken Rand 73 der wirksamen Absorberoberfläche AOF einfällt. Zur Entlastung der Figur ist der in der Figur rechte Randstrahl nicht eingezeich- net, der auf den rechten Rand 74 der wirksamen Absorberoberfläche AOF einfällt. Die Ausdehnung 75 der wirksamen Absorberoberfläche AOF ist durch den Abstand des linken 73 zum rechten Rand 74 gegeben. Der Zentralstrahl 71 fällt in der Referenzparabel 80 auf das zum Segment 77 der Konzentrationsanordnung 65 äquivalente Parabelsegment 81 ein und wird durch dieses in den Brennpunkt F der Referenzparabel 80, die Randstrahlen 72 und 82 auf den rechten Rand 83 bzw. den linken Rand 84 der nach unten gerichteten Absorberoberfläche 86 konzentriert, der Abstand dieser Ränder 83,84 entspricht der Abmessung 85 der wirksamen Absorberoberfläche AOF der Referenzparabel 80.

Eine erfindungsgemässe Konzentrationsanordnung mit nur einem kreisbogenförmigen Segment 67 ermöglicht eine gleiche oder bessere geometrische Konzentration C_g als es für eine äquivalente parabolische Konzentrationsanordnung der Fall ist, selbst dann, wenn diese ei- nen sehr präzise (oder sogar ideal) parabolisch ausgebildeten Konzentrator aufweisen würde, was sich durch eine gleiche oder kleinere Abmessung 75 ihrer wirksamen Absorberoberfläche AOF zeigt.

Da eine Parabel - oder auch ein Parabelsegment - eindeutig bestimmt ist durch den Brenn- punkt, dem maximalen Ausgabewinkel _mm und der Aperturbreite a_in, liegt eine äquivalente Parabel (d.h. eine Referenzparabel) vor, wenn diese mit einer erfind ungsgmemässen Konzentrationsanordnung den Brennpunkt, einen gleich grossen maximalen Äusgabewinkel (D_max sowie die gleiche Aperturbreite a_;(, gemeinsam hat. Die Referenzparabel lässt sich somit aus nur der Struktur der erfindungsgemässen Konzentrationsanordnung eindeutig bestimmen und zeigt die maximal erreichbare Konzentration eines konventionellen Parabol - Rinnenkon- zentrators mit den gleichen Abmessungen und der gleichen Anordnung des Primärkonzentra- tors.

Erfindungsgemäss ist nun eine Konzentrationsanordnung, deren wirksame Absorberoberflä- che AOF für einen gleichen Auffangfaktor AF (bei gleichem gleichen Akzeptanzwinkel θ,_η) gleich ist oder kleiner als die wirksame Absorberoberfläche ihrer Referenzparabel, was letztlich bedeutet, dass die Koma der erfindungsgemässen Konzentrationsanordnung gegenüber der Referenzparabel reduziert, d.h. die geometrische Konzentration C_g verbessert ist. Wie weiter unten beschrieben ist, lässt sich die Koma weitgehend, aber nicht vollständig auf Null reduzieren, so dass im Wesentlichen nur noch optische Fehler höherer Ordnung unkorrigiert bleiben, die sehr klein und damit im realen Betrieb vernachlässigbar sind, s. dazu ebenfalls weiter unten. Zusammenfassend weist erfindungsgemäss eine Konzentrationsanordnung für einen Sonnenkollektor einen Primärkonzentrator, einen diesem zugewendeten Sekundärkonzentrator sowie einer Absorbereinrichtung für die konzentrierten Strahlen auf, wobei der Primärkonzentrator in einer Aperturbreite (ain) ein im Wesentlichen kreisbogenartig gekrümmtes, reflektierendes Segment aufweist, wobei das Segment, der Sekundärkonzentrator und die Ab- sorbereinrichtung derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die Ausdehnung der im Betrieb wirksamen Absorberoberfläche (AOF) für einen gleichen Auffangfaktor (AF) und für einen gleichen Akzeptanzwinkel (θϊη) gleich oder kleiner ist als die Ausdehnung eines Brennbereichs eines Referenzparabelabschnitts zum Primärkonzentrator mit gleichem Brennpunkt, gleichem maximalem Ausgabewinkel (<|)max) und gleicher Aperturbreite (ain).

An dieser Stelle sei angemerkt, dass ein erfindungsgemässer Konzentrator auch eine reflektierende Zone mit wenigstens zwei für die Konzentration von einfallender Strahlung in die gleiche Richtung orientierten (s. dazu in der Beschreibung zu Figur 2a) Segmenten aufweisen kann, deren Brennbereiche nicht zusammenfallen, s. dazu beispielsweise Figur 5a. Alternativ liegen diese wenigstens zwei Segmente von einander getrennt, bevorzugt an einander angrenzend, können sich jedoch auch teilweise überlappen.

Damit ergibt sich ein erfindungsgemässer Konzentrator, der konkav ist, und im Betrieb eine vorbestimmte Verteilung der reflektierten Strahlung erzeugt, eine reflektierende Zone mit wenigstens zwei für die Konzentration von einfallender Strahlung in die gleiche Richtung orientierte Segmente aufweist, deren Brennbereiche wenigstens teilweise neben einander liegen. Dabei können die Brennbereiche je nach der vorbestimmten Verteilung der reflektierten Strahlung teilweise überlappen, oder voneinander getrennt liegen, bevorzugt an einander angrenzend neben einander liegen.

Bevorzugt wird dabei der Konzentrator derart ausgebildet, dass sich eine reflektierende, im Betrieb druckbelastete Membran durchgehend über mehrere Segmente des Konzentrators hin erstreckt und im Betrieb segmentweise auf wenigstens einer zusätzlichen, flexiblen Spannmembran aufliegt, derart, dass der Krümmungsradius der durchgehend ausgebildeten Membran segmentweise verschieden gross ist. Weiter können mehrere Spannmembrane vorgesehen sind, die ihrerseits segmentweise in einander liegen. Dabei weisen bevorzugt benachbart liegende Segmente am Übergang vom einen zum anderen Segment dieselbe Steigung auf.

Ein Beispiel für die vorbestimmte Verteilung der reflektierten Strahlung zeigt Figur 5a, wo die Verteilung der Strahlung auf einen aplanatischen Sekundärkonzentrator abgestimmt ist. Je nach dem Verwendungszweck des Konzentrators kann der Fachmann jedoch eine andere Verteilung vorbestimmen, die sich auch aus der analytischen Definition des gewünschten Konzentrators ergeben kann.

Dies beispielsweise im Gegensatz zu einem Einspiegel - System, bei welchem notwendigerweise jedes Segment (beispielsweise bei einer Anordnung gemäss Figur lb) in denselben Absorberbereich fokussieren muss, also die Brennbereiche im Rahmen der konstruktiven Tole- ranzen zusammenfallen: am äusseren Rand des (einzigen) Konzentrators gelegene Segmente erzeugen aufgrund des grösseren Abstands zum Absorberbereich in der Regel einen grösseren Brennbereich, so dass solch grössere Brennbereiche die Brennbereiche näher gelegener Segmente, wiederum im Rahmen der konstruktiven Toleranzen, einschliessen, die Brennbereiche somit zusammenfallen. Vorliegend ist es beispielsweise auf Grund des (aplanatischen) Zweispiegel - Systems so, dass von verschiedenen Segmenten verschiedene Bereiche des Se- kundärkonzentrators beleuchtet werden müssen, was dazu führt, dass die Brennbereiche von wenigstens zwei Segmenten höchstens abschnittsweise überlappen, d.h. nicht mehr zusammenfallen, oder an einander angrenzen, bzw. sich nur in einem äusseren Randbereich überschneiden.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Primärkonzentrator eine flexible, reflektierende, im Betrieb druckbelastete Membran auf, die sich über mehrere Segmente hin erstreckt und segmentweise auf wenigstens einer zusätzlichen Spannmembran aufliegt. Der grundsätzliche Aufbau des Primärkonzentrators kann dann gemäss der in Figur lb bzw. der WO 2010 / 037243 erfolgen, jedoch mit dem Unterschied, dass kreisbogenartig gekrümmten Segmente derart angeordnet und ausgebildet sind, dass deren Brennbereiche nur abschnittsweise zusammenfallen oder im Wesentlichen nicht zusammenfallen, s. dazu unten, insbesondere im Zusammenhang mit Figur 5a. Für die Herstellung einer Konzentrationsanordnung bzw. eines Konzentrators gemäss den Ausführungsformen von Figur 2a und 2b werden das oder die den Konzentrator bildenden kresibogenförmigen Segmente dem Primärkonzentrator eines Aplanats eingeschrieben und der Sekundärkonzentrator des Aplanats auf die Segmente zugeschnitten.

Ein Aplanat ist ein ideales optisches System, bei welchem weder sphärische Aberration noch Koma auftreten. Realisierte aplanatische Systeme sind aus der Fotografie und im Bereich der Spiegelteleskope (beispielweise das Ritchey-Chretien-Cassegrain-Teleskop) bekannt, wobei nicht zuletzt in der Fotografie Aplanate heute wegen der erheblichen Kosten für die Herstel- lung der Linsensysteme nicht mehr eingesetzt werden, da es in der Fotografie Konstruktionen gibt, die bei geringerem Bauaufwand eine bessere Korrektur der Abbildungsfehler ermöglichen.

Aus zwei Spiegeln bestehende Aplanate lassen sich aus Gleichungen erzeugen, welche die Pa- rameter s und K aufweisen, wobei weder die Gleichungen im Ganzen noch insbesondere der Einfluss der Werte der Parameter s, K auf die konkrete Form eines Aplanats anschaulich interpretierbar sind. Dies führt dazu, dass willkürlich eine Wahl der Parameter s, K getroffen, dann aus den Aplanat - Gleichungen der Primär- und der Sekundärspiegel bestimmt werden müssen, wobei dann erst manifest wird, ob sich diese physisch überhaupt realisieren lassen: häufig kollidieren nämlich die Spiegel, oder der Sekundärspiegel beschattet den Primärspiegel derart, dass eine vernünftige Anwendung zum vornherein nicht möglich erscheint. D. Lynden-Bell hat in seinem Aufsatz "Exact optics: a unification of optical telescope design," Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 334, 2002, pp. 787-796, Aplanate für die Anwendung in (Spiegel)Teleskopen untersucht, auch in Zusammenhang mit einem sphäri- sehen Primärspiegel. Der dann dazugehörige trompetenförmige Sekundärspiegel (Figur 3 von Lynden - Bell) beschattet jedoch notwendigerweise wenigstens 38 % der Fläche des sphärischen Primärspiegels, was insgesamt zu einer für die Anwendung in Solarkraftwerken nicht mehr diskutabel tiefen Konzentration führt. Lynden - Bell schlägt dabei vor, für diese nicht mehr vernachlässigbar und vergleichsweise riesige beschattete Fläche einen separaten Fokus vorzusehen, ohne jedoch dafür eine Lösungsidee zu zeigen. Solch ein trompetenförmiger Sekundärspiegel wird vorliegend nicht als dem Primärspiegel zugewendet bezeichnet, da dessen reflektierende Oberfläche am Primärspiegel seitlich vorbei sieht, im Gegensatz zu den in den Figuren gezeigten Anordnungen mit einander zugewendeten reflektierenden Oberflächen, die sich ansehen. Entsprechend ist bei weiteren Untersuchungen zum Aplanat ein Ansatz für einen sphärischen Primärspiegel nicht mehr weiter verfolgt worden. J. M. Gordon and D. Feuermann haben in ihrem Aufsatz "Optical Performance at the thermodynamic limit with tailored imaging designs," Applied Optics, 44, 2005, pp. 2327-2331 gezeigt, dass ein Aplanat als Konzentrationseinrichtung für solare Anwendungen im Wesentlichen das thermodynamische Limit (für Rinnenkollektoren eine geometrische Konzentration von 212, s. oben) erreichen kann, wobei wiederum die Bestimmung der Parameter s, K problematisch bleibt und die Primär- und Sekundärspiegel nach wie vor rein analytisch, d.h. ohne Bezug auf die physische Realisierung beschrieben werden. Schliesslich haben N. Ostroumov, et at, in ihrem Aufsatz "Panorama of dual-mirror aplanats for maximum concentration," Applied Optics, 48, 2009, pp. 4926-4931 Klassen von Parameterkombinationen für s und K gezeigt, welche häufig zu in ihrer Geometrie akzeptablen Aplanaten (kollisionsfreie Spiegel ohne excessive Beschattung des Primärspiegels) führen und für die Aplanate modifizierte Gleichungen aufgestellt.

Die Anmelderin hat nun gefunden, dass sich Aplanate durch Gleichungen in einer Parameterform darstellen lassen, für den Primärspiegel x - sin φ

0) z_p = s - cos² (ίφ) + g (φ) cos⁴ ( φ) [l - K f (φ)]/ s und für den Sekundärspiegel

2 s K f {φ) χ&η { φ)

x_r = ·

Kf (<p)tan² ( _{j (}p) + g ((p) wobei mit x die Koordinate für die Breite und mit z die Koordinate für die Höhe der Konzent- rationsanordung bezeichnet ist, in diesem Koordinatensystem der Brennpunkt F der Konzentrationsanordnung im Ursprung liegt, der Index p auf den Primäsrspiegel und der Index s auf den Sekundärspiegel hinweist, und g <p) = s - (\ - s) tmi² ( (p) (3)

und φ der Polarwinkel ist zwischen der Symmetrieachse bzw. bei korrekt ausgerichteter Konzentrationsanordnung einem Zentrahlstrahl der Sonne und einem in den Brennpunkt F reflektierten Zentralstrahl der Sonne. Um dem aplanatischen Primärspiegel gemäss den oben aufgestellten Gleichungen kreisbogenartig gekrümmte Segmente einzuschreiben, wird erfindungsgemäss dessen Krümmungsradius in Abhängigkeit seiner Breite (x - Koordinate) nach der Gleichung

bestimmt, wobei x' = άχ/άφ, x" = d²x/d<p², y' = dy/d<p, und y" - ά^ιγΙάφ² ist und numerisch für diskrete Werte von x,y gemäss Gleichung (1) berechnet werden.

Figur 3a zeigt ein Diagramm, in welchem der Verlauf der Länge des Krümmungsradius eines aplanatischen Primärspiegels über dessen Breite als Kurve 90 eingetragen ist und die Ab- schnitte 91 bis 94 bestimmt sind, in die kreisbogenförmige Segmente eingeschrieben werden sollen, welche ihrerseits einfach und kostengünstig herstellbar sind und den aplanatischen Primärspiegel nachbilden. Der Einfachheit halber ist die Breite des Primärspiegels (d.h. der Abstand von der optischen Achse bzw. der Symmetrieachse zum äusseren Rand des Spiegels) normalisiert zu 1 angesetzt, so dass der Scheitelpunkt S_P auf der horizontalen x - Achse die Koordinate 0 und der äusserste Rand 95 des Primärspiegels die x - Koordinate 1 besitzt.

Die Lage und Breite der Abschnitte ergibt sich wie folgt: Der Fachmann legt zuerst die Genauigkeit fest, in welcher für den konkreten Fall der aplanatische Primärspiegel nachgebildet werden soll, die er über die Anzahl der Abschnitte festlegt. Die Genauigkeit steigt mit der An- zahl der Abschnitte. Dann wird deren Lage und schliesslich der Krümmungsradius eines im jeweiligen Abschnitt anzuordnenden Segments, einschliesslich der Steigung in einem Rand des Segments, festgelegt.

Bevorzugt geschieht dies dadurch, indem die Differenz des Krümmungsradius über ganze Breite des in die Abschnitte zu zerlegenden aplanatischen Primärspiegels in eine der gewählten Anzahl Abschnitte entsprechende Anzahl gleicher Teile zerlegt wird, dann die Abschnittsgrenzen ermittelt und im Diagramm eingetragen werden. Dazu wir in der Figur wird der Pri- märkonzentrator in vier Abschnitte zerlegt, also die Zunahme des Krümmungsradius R_c von x = 0 bis x = 1 auf der vertikalen Achse bevorzugt in vier gleiche Teile mit je AR_C geteilt, deren Grenzen die Kurve 90 übertragen, so dass sich auf dieser Punkte ergeben, deren x - Werte den Grenzen der Abschnitte 91 bis 94 auf der x - Achse entsprechen. Dadurch ergeben sich vier Abschnitte 91 bis 94, in welchen sich der Krümmungsradius um je denselben Betrag än- dert. In jeden Abschnitt wird nun ein kreisbogenförmiges Segment eingelegt, wobei nun die Segmente den aplanatischen Primärspiegel nachbilden.

Schliesslich ist noch der Krümmungsradius jedes der in die Abschnitte 91 bis 94 einzulegenden Segments zu bestimmen, bevorzugt, indem der Durchschnittswert des Krümmungsradius des jeweiligen Abschnitts 91 bis 94 aplanatischen Primärspiegels gemäss

bestimmt wird, wobei x_Rj und x_LJ den rechten R bzw. linken Rand L des j - ten Abschnitts bezeichnen. Es ergibt sich ein Verfahren zum Herstellen eines Konzentrators bei welchem aus den Gleichungen für den herzustellenden Konzentrator allfällige Parameter numerisch bestimmt werden, im analytisch definierten Konzentrator wenigstens eine Abschnitt bestimmt, dem wenigstens einen Abschnitt ein kreisbogenförmiges Segment eingeschrieben und diesem ein Krümmungsradius zugeordnet wird, der einem Mittelwert der im Abschnitt vorliegenden Krümmungsradien entspricht. Bevorzugt wird dabei eine Zone im analytisch definierten Konzentrator in Abschnitte mit je gleicher Änderung des Krümmungsradius unterteilt.

Sind die Krümmungsradien bekannt, wird vorteilhafterweise der Rand eines Abschnitts ausgewählt, dort die Lage und die Steigung des zum analytisch definierten Konzentrators bestimmt und diese Lage und Steigung dem entsprechenden Rand des zugehörenden kreisbogenförmigen Segments zugeordnet, und wobei bevorzugt anschliessende Segmente je die Lage und die Steigung des schon fertig ausgebildeten, vorherigen Segments an der gemeinsamen Grenze übernehmen, derart, dass benachbarte Segmente an der gemeinsamen Grenze die gleiche Steigung aufweisen. Dadurch werden die kreisbogenförmigen Segmente dem zu Grunde liegenden Aplanat besonders gut eingeschrieben, da ein Rand eines Segments auf dem zum Aplanat gehörenden Primärspiegel liegt und dieser Rand zugleich dessen Steigung aufweist. Bevorzugt kann dafür der Rand des innersten (bei Ausrichtung auf die Sonne im Betrieb: des sonnenfernsten Rands) gewählt werden.

Diese Vorgehen kann gewählt werden für eine Vollausbildung der Konzentrationsanordnung, d.h. für eine Anordnung gemäss den Figuren 2a oder 2b, oder auch für eine Teilausbildung, wenn nicht dem ganzen Primärspiegel eines Aplanats, sondern nur einem Teilbereich die entsprechenden kreisbogenförmig ausgebildeten Segmente eingeschrieben werden sollen.

Alternativ kann auch, wie in Figur 2c beispielhaft gezeigt, eine Teilausbildung mit nur einem (statt mehreren) eingeschriebenen Segment gewählt werden. Dann wird dem zum Aplanat gehörenden Primärspiegel in einer Teilausbildung ein einziges kreisbogenförmiges Segment von vorbestimmter Ausdehnung eingeschrieben, indem die Lage seiner Ränder auf dem zum Aplanat gehörenden Primärspiegel, die Steigung des Primärspiegels am Ort eines der Ränder, sowie der mittlere Krümmungsradius des Abschnitts des Primärspiegels und dann daraus die Lage der Ränder, die Steigung in einem Rand und der mittleren Krümmungsradius das einzuschreibenden Segments bestimmt wird.

Es ergibt sich insbesondere, dass aus den Gleichungen für den Primärkonzentrator eines Aplanats die Parameter k und s bestimmt werden, und dem so analytisch definierten aplanati- sehen Primärkonzentrator in wenigstens einem Abschnitt ein kreisbogenförmiges Segment eingeschrieben wird.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass, wie oben erwähnt, die Genauigkeit der Nachbildung des aplanatischen Primärspiegels durch bogenförmig gekrümmte Segmente mit deren Anzahl steigt. Da die erfindungsgemäss bei einer aplanatischen Konzentrationsanordnung erheblich reduzierte Koma mit grösser werdendem Abstand des Primärspiegels ebenfalls grösser wird, kann der Fachmann vorsehen, für weiter aussen liegende Abschnitte AR_C beispielsweise sukzessive kleiner werden zu lassen, was vorteilhaft ist im Hinblick auf den für grössere Genauigkeit zu treibenden Aufwand. Damit kann durch den Fachmann eine Zone im Konzentrator in Abschnitte mit sich gegen dessen sonnennahen Rand hin verkleinernder Änderung des Krümmungsradius unterteilen.

Ebenso kann der Mittelwert des Krümmungsradius R_c für ein Segment auf verschiedene Weise gebildet werden, je nach den Anforderungen im konkreten Fall, am einfachsten durch Division der Werte für den Krümmungsradius an den Grenzen des jeweiligen Abschnitts durch zwei, oder d urch eine andere Methode, in welcher eine geeignete Gewichtung der sich über einen Abschnitt ändernden Werte des Krümm ungsradius vorgenommen wird.

Figur 3b zeigt in einem Diagramm den Querschnitt durch einen nach diesem Verfahren ausgebildeten Konzentrator 100 für eine erfindungsgemässe Konzentrationseinrichtung, wobei zum Vergleich der zu Grunde liegende aplanatische Primärspiegel 99 ebenfalls eingetragen ist. In der Figur bezeichnen wiederum 91 bis 94 die Abschnitte, 91' bis 94' die Abschnittsgrenzen und entsprechend 96 bis 99 die dadurch gebildeten Segmente des Konzentrators 100.

Eine erfindungsgemässe Konzentrationsanordnung mit einem nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten, Segmente aufweisenden Konzentrator zeigt sphärische Aberration und Koma, so dass zwar eine Verbesserung der geometrischen Konzentration gegenüber den im Stand der Technik bekannten Rinnenkollektoren gegeben ist, die jedoch vergleichsweise bescheiden ausfällt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird deshalb der Sekundärkonzentrator auf den er- findungsgemäss ausgebildeten Primärkonzentrator zugeschnitten, indem der Sekundärkonzentrator für konstante optische Weglänge der Zentralstrahlen der Sonne ausgelegt wird.

Ein Punkt P(P*P_Z) auf einem der Segmente des erfindungsgemässen Primärkonzentrators besitzt die Koordinaten:

= ( ^'. + Ii

x^X J sin ω

P_z = C, _j - R_f cos ω

wobei ω der Neigungswinkel ist, welcher der Steigung m = dz/dx = tan(w) zugeordnet ist, C_j(C_xJ,C_Zj) ist das Zentrum des Bogens j eines Segments J (welches ja kreisbogenförmig ausgebildet ist).

Die optische Pfadlänge eines beispielsweise bei z = 0 (d.h. einer bei z = 0 liegenden Wellenfront eines Zentralstrahls) beginnenden und den Punkt P (Ρ_ΆΡ_Ζ) auf dem Primärkonzentrator, den Punkt SfS^S auf dem Sekundärkonzentrator treffenden und dann in den Focus (0,0) reflektiert Strahls ist

Um die richtige optische Pfadlänge OPL zu wählen, kann beispielsweise entweder die am weitesten links (also am linken Ende bzw. am Sonnenfernen Rand des in den Figuren gezeigten Primärkonzentrators) oder am weitesten rechts (also am rechten Ende, d.h. am sonnennahen Rand) gegebene Pfadlänge gewählt werden.

Sobald die Pfadlänge gewählt ist, kann ein Punkt S auf dem zugeschnittenen Sekundärkonzentrator berechnet werden, der einem zugeordneten Punkt P auf dem Primärkonzentrator ents richt:

wobei II P II den absoluten Betrag von P und v die Richtung des Strahls nach dessen tion durch den Primärkonzentrator und ist: v = (v_x, v_:) = (-sin 2ß>,cos 2<y) (11)

Der zugeschnittene Sekundärkonzentrator kann dann bestimmt werden, indem in jedem Segment Punkt P für Punkt P ein zugeordneter Punkt S des zugeschnittenen Sekundärkon- zentrators bestimmt wird, welche Punkte S beispielsweise durch die Methode eines kubischen Spline zu einer durchgehenden Oberfläche verbunden werden können.

Damit ergibt sich eine Konzentrationsanordung, bei welcher der Primär - und der Sekundärkonzentrator derart angeordnet und ausgebildet sind, dass im Betrieb der Pfad von zu einem Zentralstrahl der Sonne parallel einfallenden Strahlen, gemessen von einer Wellenfront eines Zentralstrahls bis zum Brennpunkt F der Konzentrationsanordnung gleich lang ist, wobei bevorzugt der Pfad ausgehend von einer Wellenfront gemessen wird, die auf der Höhe des Brennpunktes F der Konzentrationsanordnung liegt.

Im Ergebnis ergibt sich Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemässen Konzentrationsanordnung wobei ein Konzentrator als aplanatischer Primärkonzentrator ausgebildet und diesem ein Sekundärkonzentrator zugeordnet wird, indem aus den Gleichungen für den Sekundärkonzentrator eines Apianats der Sekundärkonzentrator analytisch definiert und dieser dann auf das wenigstens eine Segment zugeschnitten wird, derart, dass im Betrieb der Konzentrationsanordnung der Pfad von zu einem Zentralstrahl der Sonne parallel einfallenden Strahlen, gemessen von einer Wellenfront eines Zentralstrahls bis zum Brennpunkt der Konzentrationsanordnung gleich lang ist.

Der Fachmann kann im konkreten Fall die Segmente des Primärkonzentrators und auch den Sekundärkonzentrator gemäss den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen auslegen.

Wird der Sekundärkonzentrator wie oben beschrieben zugeschnitten, erfasst er zwar die randseitig auf dem Primärkonzentrator einfallenden Zentrahlstrahlen, jedoch nicht mehr die Randstrahlen von der einen Seite der Sonne. Deshalb wird erfindungsgemäss der Sekundärkonzentrator vergrössert, indem er entsprechend weiter zugeschnitten wird. Dazu werden gemäss den Gleichungen (13) und (14) Punkte des Sekundärkonzentrators hinzugefügt. Der Punkt P auf der inneren Kante besitzt die Koordinaten Px und Pz. Mit der Gleichung (15) ergibt sich v = (v_t , v. ) = (- sin 2ω - Θ, cos 2ω - Θ) (16) wobei Θ Werte von 0 bis zum Akzeptanzwinkel annimmt. Die Anzahl der Werte, die für Θ so durchlaufen werden entspricht der Anzahl der zusätzlichen Punkte auf dem vergrösserten Sekundärkonzentrator. Für die äussere Kante wird dasselbe getan, mit den Koordinaten Px und Pz für den äussersten Punkt auf dem Primärkonzentrator, wobei gilt v = ( v_t , v, ) = (- sin 2o) + Θ, cos 2ω + Θ) (17)

Es ergibt sich damit, dass der Sekundärkonzentrator ausgebildet ist, im Betrieb auch die Randstrahlen der Sonne von randseitig in den Primärkonzentrator einfallenden Zentralstrahlen weiter zu konzentrieren, bevorzugt für einen Äkzeptanzwinkel θ_ιη = 0,5°, besonders bevorzugt für einen Akzeptanzwinkel 9_in = 0,27°. Der Fachmann kann hier für den konkreten Fall den gewünschten Akzeptanzwinkel 9_in bestimmen.

Figur 4a zeigt ein Diagramm mit einer bevorzugten Ausführungsform gemäss einer Simulationsrechnung der Anmelderin. Die Figur zeigt qualitativ den Querschnitt durch eine Konzent- rationsanordnung 108 für einen Rinnenkollektor, die aplanatisch ausgebildet ist, wobei nur der Aufbau des primären Halbkonzentrators 101 und des sekundären Halbkonzentrators 102 masstäblich dargestellt ist - weggelassen sind ein zur Symmetrielinie 103 symmetrisch ausgebildeter zweiter primärer Halbkonzentrator sowie ein zu diesem gehörender, zweiter se- kundärer Halbkonzentrator. Ebenfalls weggelassen sind der Rahmen für den primären Kon- zentrator, den sekundären Konzentrator und Stützen für das Absorberelement 105, wobei dieses selbst ersichtliche ist, samt seiner Absorberoberfläche 106 und dem in dieser liegenden wirksamen Absorberabschnitt 107, der seinerseits den Brennpunkt F enthält. Durch das aplanatische Konzept werden die Zentralstrahlen der Sonne in den Brennpunkt F und die weiteren, schräg einfallenden Strahlen, bis hin zu den Aussenstrahlen der Sonne, auf den wirksamen Absorberabschnitt 107 konzentriert.

Der primäre Halbkonzentrator 101 weist eine durchgehende, im Betrieb druckbelastete, reflektierende Membran 110 auf, die an ihren Enden 111,112 in einem (wie erwähnt zur Entlas- tung der Figur nur teilweise angedeuteten) Rahmen 120 eingespannt ist. Nachstehend werden die Verhältnisse im Betrieb, d.h. insbesondere unter Betriebsdruckbedingungen beschrieben.

Die Membran 110 verläuft über die Abschnitte 91 bis 94 (s. auch Figur 3b) und bildet dort die kreisbogenförmigen Segmente 113 bis 116 aus, welche je verschiedenen Krümmungsradius aufweisen und an gemeinsamen Grenzen (am Ort der Abschnittsgrenzen 91' bis 94') dieselbe Steigung m (bzw. den Neigungswinkel φ) aufweisen. Die Ausbildung der Krümmung der Segmente erfolgt dadurch, dass die durchgehende Membran 110 segmentweise (und damit auch abschnittsweise) auf hier drei Spannmembranen 117 bis 119 aufliegt, nämlich im Abschnitt 91 auf keiner Spannmembran, im Abschnitt 92 auf der Spannmembran 117, im Abschnitt 93 auf den beiden Spannmembranen 117 und 118 und schliesslich im Abschnitt 94 auf allen dreien Spannmembranen 117 bis 119.

Im Ergebnis weist die Konzentrationsanordnung eine reflektierende, druckbelastete Memb- ran auf, die sich über mehrere Segmente hin erstreckt und im Betrieb segmentweise auf wenigstens einer zusätzlichen, flexiblen Spannmembran aufliegt.

Hier sei angefügt, dass im Sinn einer Teilausbildung die reflektierende Membran 110 nicht vom Scheitelpunkt S_P bis hin zum äusseren Rand mit einem rim angle Φ = 90° verläuft, son- dern von einer wegen der Beschattung durch den zweiten sekundären Halbkonzentrator entsprechend gegen a ussen versetzten Abschnittsgrenze 113' des Abschnitts 113 bis zur äusserten Abschnittsgrenze 94' des Abschnitts 94, welche einem rim angle φ von ca. 85° entspricht.

Angedeutet ist ein Rahmenbereich 120 für die Konzentratonsanord nung 108, welcher den \nnenraum der Druckzelle 121, welche auf einer Seite durch die reflektierende Membran 110 begrenzt ist, gegen aussen bis zum Scheitelpunkt S_P abschliesst, ebenso die durch die Spannmembra ne 117 bis 119 gebildeten Druckräume 122 bis 124 und schliesslich die Veran- kerungspunkte 125 bis 128 für die reflektierende Membran 110 und die Spannmembrane 117 bis 119 a ufweist.

Da die reflektierende Membran 110 auf Bereichen der Spannmembrane 117 bis 119 aufliegt, besitzt die Spannmembran 117 einen freien Abschnitt 130, die Spannmembran 118 einen freien Absch nitt 131 und die Spannmembran 119 einen freien Abschnitt 132. Die freien Abschnitte 130 bis 131 sind im Betrieb durch einen jeweiligen Differenzdruck belastet, verlaufen also bogenförmig.

Im Innenraum der Druckzelle herrscht der höchste Druck p_x, im Druckraum 122, dann 123, dann 124 jeweils der nächsttiefere Druck p₂ bis p₄, wobei alle Drücke höher sind als der Aussendruck p_a.

Figur 4b zeigt schematisch, aber masstäblich in Verbindung mit den nachstehenden Tabellen die geometrischen Verhältnisse des Primärkonzentrators 101 im Betrieb. Zu den Segmenten 113 bis 116 gehören die Krümmungsmittelpunkte 135 bis 138. Zu den freien Abschnitten 130 bis 132 gehören die Krümmungsmittelpunkte 139 bis 141.

Primärkonzentrator 101: x Koordinate z Koordinate Steigung m Neigungswinkel φ

113' (Verankerung 125) 0,200511644 -0,467845238 0,171801787 9,748350437

91' 0,524834735 -0,368757727 0,450040463 24,22967322

92' 0,708610933 -0,271689522 0,611725606 31,45519317

93' 0,855076414 -0,172656533 0,744676271 36,67418087

94' 1 -0,055028486 0,883333269 41,45523147

Verankerung 126 0,204963743 -0,48301735 Verankerung 127 0,217753295 -0,513628254

Verankerung 128 0,238715198 -0,552361238 x Koordinate z Koordinate Öffnungs- Bogen-

Segment Mittelpunkt Mittelpunkt Radius R winkel Θ länge s

113

(Krümmungsmittelpunkt 135) -0,027280233 0,858054112 1,34532458 14,48132278 0,340026432 114

(Krümmungsmittelpunkt 136) -0,151972815 1,135123825 1,649159841 7,22551995 0,207974085 115

(Krümmungsmittelpunkt 137) -0,304621529 1,384661711 1,941684689 5,218987704 0,176865183 116

(Krümmungsmittelpunkt 138) -0,481290113 1,62190384 2,237481267 4,781050599 0,186706791 freier Abschnitt 130

(Krümmungsmittelpunkt 139) -0,349418909 1,573853475 2,130271747 9,145349422 0,340026432 freier Abschnitt 131

(Krümmungsmittelpunkt 140) -0,861698581 2,295326633 3,009226464 10,43394946 0,548000518 freier Abschnitt 132

(Krümmungsmittelpunkt 141) ^•1,606096729 3,132367728 4,120747335 10,07869252 0,7248657

Membran ungestreckte Länge LO Spannung T im Betrieb

110 0,911572492 27,96851584

117 0,911572492 27,96851584

118 0,911572492 27,96851584

119 0,911572492 27,96851584

Druck mbar

pl 50

p2 29,21058141

p3 16,08149781

p4 6,787243568

pa 0

Der zugehörige Sekundärkonzentrator kann vom Fachmann anhand der oben angegebenen

Gleichungen leicht bestimmt werden

Mit diesen Abmessungen erzeugt die Konzentrationsanordnung 101 einen Fluss der konzentrierten Strahlung gemäss Figur 5a, in welcher der Verlauf der konzentrierten Sonnen- strahlen mit einem Akzeptanzwinkel 6_in = 0,27° dargestellt ist. Hervorgehoben sind dabei randseitig in das Segment 113 einfallende Zentralstrahlen 142,143, die einen Brennbereich

am Ort 144 erzeugen, sowie randseitig in das Segment 116 einfallende Zentrahlstrahlen

145,146, die einen Brennbereich am Ort 147 erzeugen. Auch wenn davon ausgegangen werden muss, dass in der Figur die Orte 144 und 147 wegen der kleinen Winkel der sich schnei- denden Strahlen 142 bis 146 sowie der dazugehörigen Randstrahlen ungenau eingezeichnet sind, ergibt sich doch, dass beispielsweise die Brennbereiche der Segmente 113 und 116 nicht zusammenfallen. Im Ergebnis weist ein erfindungsgemäss ausgebildeter Konzentrator bevorzugt eine reflektierende Zone (hier bestehend aus den Segmenten 113 bis 116) mit wenigstens zwei für die Konzentration von einfallender Strahlung in die gleiche Richtung orientierten Segmenten auf, deren Brennbereiche nicht zusammenfallen (hier beispielsweise die Segmente 113 und 116). Je nach der Ausbildung des Konzentrators im konkreten Fall können die Orte bzw. die Brenn- bereiche auch von einander vollständig getrennt, aneinander angrenzend liegen oder sich teilweise überlappen.

Figur 5b zeigt den Fluss der konzentrierten Strahlung der anhand der Figuren 4a bis 5a beschriebenen Ausführungsform auf die wirksame Absorberoberfläche AOF (Figur 4a, 107) in einem Diagramm, mit der z-Achse für die geometrische Konzentration C_g und der x-Achse für die Abmessung der wirksamen Absorberoberfläche AOF.

Die x - Achse ist wiederum normalisiert (die Breite des Primärkonzentrators beträgt 1); die Absorberoberfläche ist über eine Abmessung von - 0.03 bis + 0.03 dargestellt.

Wie oben erwähnt, handelt es sich bei der oben beschriebenen Ausführungsform um einen Rinnenkollektor, wobei die Figuren Querschnitte durch die Konzentrationsanordnung zeigen. Folgerichtig müsste sich dieser Querschnitt bei einer 2D Darstellung der Sonne in Figur 5b rechteckig ausfallen. Tatsächlich zeigen diese Kurven jedoch eine nicht rechteckförmige Ver- teilung über ihr Intervall, da in der Rechnung für eine realitätsnahe Simulation des Strahlungsflusses die Sonne als dreidimensionale Kugel angenommen worden ist, mit der Folge, dass alle in den im Diagramm gezeigten Querschnitt (wirksame Absorberoberfläche AOF) einfallenden Strahlen, d.h. auch die etwas seitlich vom Querschnitt in den Primärkonzentrator einfallenden Strahlen, im Strahlungsfluss enthalten sind. Der Strahlungsfluss wird im Folgen- den einfach„Fluss" genannt.

Das Diagramm von Fig. 5b zeigt die Kurve 160 den Fluss einer Referenzparabel zum Primärkonzentrator 101 (Figuren 4a und 4b. Die Kurve 161 zeigt den Fluss, wie er mit dem Primärkonzentrator 101 (Figuren 4a und 4b) erreichbar ist, wenn der Sekundärkonzentrator nicht zugeschnitten ist, die Kurve 162 den Fluss mit dem zugeschnittenen Primärkonzentrator, d.h. den erfindungsgemäss durch die bevorzugte Ausführungsform gemäss den Figuren 4a und 4b realisierbaren Fluss. Hier sei angemerkt, dass natürlich in einer weiteren Ausführungsform (mit festen Spiegeln oder mit druckbelasten Membranen) die eine grössere Anzahl von Seg- menten aufweist, die Konzentration weiter verbessert werden kann. Schliesslich zeigt die Kurve 164 den Fluss eines idealen Aplanats gemäss den oben erstellten Gleichungen, bei welchem die Parameter s, K, 0_in, a_jn, O_max, übereinstimmen.

Figur 5c zeigt den ein Diagramm, dessen vertikale Achse den Auffangfaktor AF und dessen horizontale Achse die normalisierte Breite des Primärkonzentrators anzeigt, wiederum für die Ausführungsform gemäss den Figuren 4a und 4b.

Wiederum zeigt die Kurve 165 den Auffangfaktor AF der Referenzparabel zum Primärkonzentrator 101 (Figuren 4a und 4b), die Kurve 166 den Auffangfaktor AF, wie er mit dem Pri- märkonzentrator 101 (Figuren 4a und 4b) vorliegt, wenn der Sekundärkonzentrator nicht zugeschnitten ist, die Kurve 167 den Auffangfaktor AF mit dem zugeschnittenen Primärkonzentrator, d.h. wie er erfindungsgemäss durch die bevorzugte Ausführungsform gemäss den Figuren 4a und 4b vorliegt. Schliesslich zeigt die Kurve 168 den Auffangfaktor AF für ein ideales Aplanat.

Erfindungsgemäss ist weiter ein Sonnenkollektor mit einer Konzentrationsanordnung oder einem Konzentrator der oben beschriebenen Art, ferner ist erfindungsgemäss ein Solarkraftwerk mit solche einem Sonnenkollektor.

Claims

Patentansprüche

1. Konzentrationsanordnung für einen Sonnenkollektor mit einem konvexen Primärkon- zentrator (29), einem reflektierenden Sekundärkonzentrator (30) sowie einer Absorbereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkonzentrator (29) in einer Aperturbreite (a_in) mehrere in der gleichen Richtung konzentrierende, im Wesentlichen kreisbogenförmig gekrümmte, reflektierende Segmente (21 bis 23, 113 bis 116) aufweist.

2. Konzentrationsanordnung (25,50,65) für einen Sonnenkollektor mit einem Primärkonzentrator (29), einem diesem zugewendeten Sekundärkonzentrator (30) sowie einer Absorbereinrichtung für die konzentrierten Strahlen, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkonzentrator (29) in einer Aperturbreite (ai_n) ein im Wesentlichen kreisbogenartig gekrümmtes, reflektierendes Segment (77) aufweist, wobei das Segment (77), der Sekundärkonzentrator (30) und die Absorbereinrichtung derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die Ausdehnung der im Betrieb wirksamen Absorberoberfläche (AOF) für einen gleichen Auffangfaktor (AF) und für einen gleichen Akzeptanzwinkel (6_in) gleich oder kleiner ist als die Ausdehnung eines Brennbereichs eines Referenzparabelabschnitts zum Primärkonzentrator (29) mit gleichem Brennpunkt F, gleichem maximalem Ausgabewinkel (cj)max) und gleicher Aperturbreite (a_in).

3. Konzentrationsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Primärkonzentrator (29) eine reflektierende Zone mit wenigstens zwei für die Konzentration von einfallender Strahlung in die gleiche Richtung orientierten Segmenten (21 bis 23, 113 bis 116) aufweist, deren Brennbereiche nicht zusammenfallen.

4. Konzentrationsanordnung nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Brennbereiche der in die gleiche Richtung orientierten wenigstens zwei Segmente (21 bis 23, 113 bis 116) voneinander getrennt liegen, bevorzugt an einander angrenzend neben einander liegen.

5. Konzentrationsanordnung nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Brennbereiche der in die gleiche Richtung orientierten wenigstens zwei Segmente (21 bis 23, 113 bis 116) teilweise überlappen.

6. Konzentrationsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Primär - und der Sekun- därkonzentrator (30) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass im Betrieb der Pfad von zu einem Zentralstrahl (71) der Sonne parallel einfallenden Strahlen, gemessen von einer Wellenfront W eines Zentralstrahls bis zum Brennpunkt der Konzentrationsanordnung gleich lang ist, wobei bevorzugt der Pfad ausgehend von einer Wellenfront gemessen wird, die auf der Höhe des Brennpunktes F der Konzentrationsanordnung liegt.

7. Konzentrationsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Primär - und der Sekun- därkonzentrator (30) als Konzentratoren für einen Rinnenkollektor ausgebildet sind.

Konzentrationsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Segment als flexible, Betrieb druckbelastete reflektierende Membran (52',52" bis 55',55") ausgebildet ist.

Konzentrationsanordnung nach Anspruch 8, wobei mehrere Segmente mit verschiedenem Krümmungsradius R_c vorgesehen sind, und wobei bevorzugt ein Sonnen - näheres Segment einen grösseren Krümmungsradius R_c aufweist, als sein benachbartes, Sonnen - ferneres Segment.

Konzentrationsanordnung nach Anspruch 9, wobei sich eine reflektierende, druckbelastete Membran (52',52" bis 55',55") über mehrere Segmente hin erstreckt und im Betrieb segmentweise auf wenigstens einer zusätzlichen, flexiblen Spannmembran aufliegt.

Konzentrationsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sekundärkonzentrator (30) ausgebildet ist, im Betrieb auch die Randstrahlen der Sonne von randseitig in den Primärkonzentrator (29) einfallenden Zentralstrahlen weiter zu konzentrieren, bevorzugt für einen Akzeptanzwinkel 6_in = 0,5°, besonders bevorzugt für einen Akzeptanzwinkel θ_!η = 0,27°.

Konkaver Konzentrator für eine Konzentrationsanordnung eines Sonnenkollektors, der im Betrieb eine vorbestimmte Verteilung der reflektierten Strahlung erzeugt, eine reflektierende Zone mit wenigstens zwei für die Konzentration von einfallender Strahlung in die gleiche Richtung orientierte Segmente (21 bis 23, 113 bis 116) aufweist, deren Brennbereiche wenigstens teilweise neben einander liegen.

13. Konzentrator nach Anspruch 12, wobei die Brennbereiche teilweise überlappen.

14. Konzentrator nach Anspruch 12, wobei die Brennbereiche von einander getrennt liegen, bevorzugt an einander angrenzend neben einander liegen.

15. Konzentrator nach Anspruch 12, wobei die Segmente (21 bis 23, 113 bis 116) im Wesentlichen kreisbogenförmig ausgebildet sind und bevorzugt einen verschiedenen Krümmungsradius aufweisen, und wobei besonders bevorzugt die Segmente als reflektierende, flexible, im Betrieb druckbelastete Membran (52',52" bis 55',55") ausgebildet sind.

16. Konzentrator nach Anspruch 12, wobei sich eine reflektierende, im Betrieb druckbelastete Membran durchgehend über mehrere Segmente hin erstreckt und im Betrieb segmentweise auf wenigstens einer zusätzlichen, flexiblen Spannmembran aufliegt, derart, dass der Krümmungsradius der durchgehend ausgebildeten Membran segmentweise verschieden gross ist.

17. Konzentrator nach Anspruch 16, wobei mehrere Spannmembrane vorgesehen sind, die ihrerseits segmentweise in einander liegen.

18. Konzentrator nach Anspruch 12, wobei benachbart liegende Segmente am Übergang vom einen zum anderen Segment dieselbe Steigung aufweisen.

19. Sonnenkollektor mit einer Konzentrationsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 12.

20. Solarkraftwerk mit einem Sonnenkollektor nach Anspruch 19.

21. Verfahren zum Herstellen eines Konzentrators nach Anspruch 1, 2 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Gleichungen für den herzustellenden Konzentrator allfällige Parameter numerisch bestimmt werden, im analytisch definierten Konzentrator wenigstens eine Abschnitt bestimmt, dem wenigstens einen Abschnitt ein kreisbogenförmiges Segment eingeschrieben und diesem ein Krümmungsradius zugeordnet wird, der einem Mittelwert der im Abschnitt vorliegenden Krümmungsradien entspricht.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei eine Zone im analytisch definierten Konzentrator in Abschnitte mit je gleicher Änderung des Krümmungsradius unterteilt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei eine Zone im analytisch definierten Konzentrator in Abschnitte mit sich gegen dessen sonnennahen Rand hin verkleinernder Änderung des Krümmungsradius unterteilt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein Rand des wenigstens einen Abschnitts ausgewählt, dort die Lage und die Steigung des analytisch definierten Konzentrators bestimmt und diese Lage und Steigung dem entsprechenden Rand des in den Abschnitt eingeschriebenen kreisbogenförmigen Segments zugeordnet wird.

25. Verfahren nach Anspruch 21 oder 24, wobei bei einer Unterteilung des Konzentrators in mehrere Abschnitte an ein schon fertig ausgebildetes Segment ein angrenzendes Segment angeschlossen wird, indem für dieses an der gemeinsamen Grenze die Lage und Steigung des schon fertig ausgebildeten Segments übernommen wird.

26. Verfahren nach Anspruch 21, wobei aus den Gleichungen für den Primärkonzentrator (29) eines Aplanats die Parameter k und s bestimmt werden, und dem so analytisch definierten aplanatischen Primärkonzentrator (29) in wenigstens einem Abschnitt ein kreisbogenförmiges Segment eingeschrieben wird,

27. Verfahren nach Anspruch 21 oder 26, wobei weiter der Konzentrator als aplanatischer Primärkonzentrator (29) ausgebildet und diesem ein Sekundärkonzentrator (30) zugeordnet wird, indem aus den Gleichungen für den Sekundärkonzentrator (30) eines Aplanats der Sekundärkonzentrator (30) analytisch definiert und dieser dann auf das wenigstens eine Segment zugeschnitten wird, derart, dass im Betrieb der Konzentrationsanordnung der Pfad von zu einem Zentralstrahl (71) der Sonne parallel einfallenden Strahlen, gemessen von einer Wellenfront W eines Zentralstrahls bis zum Brennpunkt der Konzentrationsanordnung gleich lang ist.