CH705811A2 - Rinnenkollektor mit einer Anzahl von Sekundärkonzentratoren. - Google Patents

Abstract

Rinnenkollektor mit einer Anzahl von Sekundärkonzentratoren (41), welche die vom Konzentrator (11) des Rinnenkollektors in einer ersten Richtung quer zu dessen Länge konzentrierte Sonnenstrahlung in einer zweiten, längs zu ihm verlaufenden Richtung konzentrieren, wobei die Sekundärkonzentratoren (41) jeweils eine erste, vordere reflektierende Wand (45) und eine zweite hintere reflektierende Wand (46) aufweisen, welche die Strahlung in der zweiten Richtung konzentrieren, und wobei die Sekundärkonzentratoren (41) miteinander synchron verschwenkbar, vorzugsweise je um eine gegenüber dem Primärkonzentrator fixierte Verschwenkachse angeordnet sind, derart, dass sie bei wechselndem Sonnenstand stets der einfallenden Strahlung gemäss ausgerichtet werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite reflektierende Wand der Sekundärkonzentratoren im Eintrittsbereich der Strahlung verschiedene Länge aufweisen, derart, dass eine längere reflektierende Wand (46) eines Sekundärkonzentrators (41) jeweils neben einer kürzeren reflektierenden Wand (45) des benachbarten Sekundärkonzentrators liegt. Dadurch können die Sekundärkonzentratoren (41) lückenlos nebeneinander angeordnet werden und bleiben dennoch über einen Bereich von minus 20 Grad bis plus 70 Grad gegenüber dem Primärkonzentrator verschwenkbar.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rinnenkollektor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen Rinnenkollektor nach Anspruch 16 sowie einen Sekundärkonzentrator nach Anspruch 16.

[0002] Rinnenkollektoren bzw. Sekundärkonzentratoren der genannten Art finden u.a. in Sonnenkraftwerken Anwendung.

[0003] Bis heute ist es wegen der noch nicht überwundenen Nachteile der Fotovoltaik nicht gelungen, Solarstrom in Anwendung dieser Technologie in annähernd kostendeckender Art zu erzeugen. Solarthermische Kraftwerke hingegen produzieren schon seit einiger Zeit Strom im industriellen Massstab zu Preisen, die - gegenüber der Fotovoltaik - nahe an den heute üblichen kommerziellen Preisen für in herkömmlicher Art erzeugten Strom liegen.

[0004] In Solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne durch Kollektoren mit Hilfe des Konzentrators gespiegelt und gezielt auf einen Ort fokussiert, in welchem dadurch hohe Temperaturen entstehen. Die konzentrierte Wärme kann abgeführt und zum Betrieb von thermischen Kraftmaschinen wie Turbinen verwendet werden, die wiederum die Strom erzeugenden Generatoren antreiben. In photovoltaischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne auf Photozellen fokussiert, die direkt Strom erzeugen.

[0005] Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling-Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme. Insbesondere bei Parabolrinnensystemen wird vermehrt diskutiert, die Photovoltaik anzuwenden.

[0006] Die Dish-Sterling-Systeme als kleine Einheiten im Bereich von bis zu 50 kW pro Modul (sei dies thermisch oder photovoltaisch) haben sich nicht generell durchgesetzt.

[0007] 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 sollen, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Maschinen (in der Regel ein Dampf- oder Fluidturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung) günstig ist. Die Anlage «Solar two» in Kalifornien besitzt eine Leistung von mehreren MW. Die Anlage PS20 in Spanien besitzt eine Leistung von 20 MW. Solarturmkraftwerke haben (trotz der vorteilhaft erreichbaren hohen Temperaturen) bis heute ebenfalls keine grössere Verbreitung gefunden.

[0008] Parabolrinnenkraftwerke jedoch sind verbreitet und besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Konzentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m, können jedoch auch in einer Länge von 200 m oder mehr ausgeführt werden. In der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr für die konzentrierte Wärme (bis gegen 500 °C), das die Wärme zum Kraftwerk transportiert. Als Transportmedium kommt z.B. Thermoöl, geschmolzene Salze oder überhitzter Wasserdampf in Frage. Photovoltaische Systeme können mit Photozellen ausgerüstet werden, die am Ort der Brennlinie angeordnet sind.

[0009] Konventionelle Absorberrohre werden mit aufwendiger und teurer Konstruktion hergestellt, um die Wärmeverluste soweit wie möglich zu minimieren. Da das die Wärme transportierende Medium im Rohrinneren zirkuliert, erwärmt die durch den Konzentrator konzentrierte Sonnenstrahlung zuerst das Rohr, und dieses dann das Medium, mit der Folge, dass das notwendigerweise gegen 500 °C heisse Absorberrohr seiner Temperatur entsprechend Wärme abstrahlt. Die Abstrahlung von Wärme über das Leitungsnetz für das Wärme transportierende Medium kann 100 W/m erreichen, die Leitungslänge in einer Grossanlage bis 100 km, so dass die Wärmeverluste über das Leitungsnetz für den Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks von erheblicher Bedeutung sind, ebenso der auf die Absorberrohre entfallende Anteil an Wärmeverlusten.

[0010] Entsprechend werden die Absorberleitungen zunehmend aufwendig gebaut, um diese Energieverluste zu vermeiden. So sind weit verbreitete konventionelle Absorberleitungen als ein von Glas umhülltes Metallrohr ausgebildet, wobei zwischen Glas und Metallrohr ein Vakuum herrscht. Das Metallrohr führt in seinem Inneren das Wärme transportierende Medium und ist an seiner Aussenfläche mit einer Beschichtung versehen, die eingestrahltes Licht im sichtbaren Bereich verbessert absorbiert, aber eine tiefe Abstrahlungsrate für Wellenlängen im Infrarotbereich besitzt. Das umhüllende Glasrohr schützt das Metallrohr von der Kühlung durch Wind und wirkt als zusätzliche Barriere für Wärmeabstrahlung. Nachteilig ist dabei, dass die umhüllende Glaswand einfallende konzentrierte Sonnenstrahlung teilweise ebenfalls reflektiert oder auch absorbiert, was dazu führt, dass auf das Glas eine die Reflexion reduzierende Schicht aufgebracht wird.

[0011] Um den aufwendigen Reinigungsaufwand für solche Absorberleitungen zu senken, aber auch um das Glas vor mechanischen Beschädigungen zu schützen, kann die Absorberleitung zusätzlich mit eine sie umgebenden (nicht oder wenig isolierenden) mechanischen Schutzrohr versehen werden, das zwar mit einer Öffnung für die einfallende Sonnenstrahlung versehen werden muss, die Absorberleitung aber sonst recht zuverlässig schützt.

[0012] Solche Konstruktionen sind aufwendig und entsprechend teuer, sowohl in der Herstellung, als auch im Unterhalt. Entsprechend erscheint es zunehmend interessant, Rinnenkollektoren nicht nur für die thermische Nutzung des Sonnenenergie, sondern auch für die photovoltaische Nutzung bereit zu stellen.

[0013] Die 9 SEGS-Parabolrinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW. Das 2007 ans Netz gegangene Kraftwerk «Nevada Solar One» besitzt Rinnenkollektoren mit 182 400 gekrümmten Spiegeln, die auf einer Fläche von 140 Hektar angeordnet sind und produziert 65 MW. Andasol 3 in Spanien ist seit September 2009 im Bau, soll in 2011 den Betrieb aufnehmen, so dass die Anlagen Andasol 1 bis 3 eine Höchstleistung von 50 MW aufweisen werden.

[0014] Für die (thermische) Gesamtanlage (Andasol 1 bis 3) wird ein Spitzenwirkungsgrad von ca. 20% sowie ein Wirkungsgrad im Jahresmittel von rund 15% erwartet.

[0015] Wie erwähnt ist ein wesentlicher Parameter für den Wirkungsgrad eines Solarkraftwerks die Temperatur des durch die Kollektoren erhitzten Transportmediums, über welches die gewonnene Wärme vom Kollektor wegtransportiert und für die Umwandlung in beispielsweise Strom genutzt wird: mit höherer Temperatur lässt sich ein höherer Wirkungsgrad bei der Umwandlung erzielen. Die im des Transportmedium realisierbare Temperatur hängt wiederum von der Konzentration der reflektierten Sonnenstrahlung durch den Konzentrator ab. Eine Konzentration von 50 bedeutet, dass im Brennbereich des Konzentrators eine Energiedichte pro m<2> erzielt wird, die der 50 fachen der von der Sonne auf einen m<2> der Erdoberfläche eingestrahlten Energie entspricht.

[0016] Die theoretisch maximal mögliche Konzentration hängt von der Geometrie Erde-Sonne, d.h. vom Öffnungswinkel der von der Erde aus beobachteten Sonnenscheibe ab. Aus diesem Öffnungswinkel von 0,27° folgt, dass der theoretisch maximal mögliche Konzentrationsfaktor für Rinnenkollektoren bei 213 liegt.

[0017] Selbst mit sehr aufwändig hergestellten, und damit für den industriellen Einsatz (zu) teuren Spiegeln die im Querschnitt einer Parabel gut angenähert sind und damit einen Brennlinienbereich mit kleinstem Durchmesser erzeugen, ist es heute nicht möglich, diese maximale Konzentration von 213 auch nur annähernd zu erreichen. Eine zuverlässig erzielbare Konzentration von ca. 50 bis 60 ist jedoch realistisch und erlaubt bereits die oben genannten Temperaturen von gegen 500°C im Absorberrohr eines Parabolrinnenkraftwerks.

[0018] Für photovoltaische Stromerzeugung gelten die Überlegungen zur Konzentration analog, da bei höherer Konzentration mehr Strom erzeugt werden kann.

[0019] Um die Parabelform eines Rinnenkollektors bei vertretbaren Kosten möglichst gut anzunähern, hat die Anmelderin in WO 2010/037 243 einen Rinnenkollektor vorgeschlagen, der eine Druckzelle mit einem flexiblen, in der Druckzelle aufgespannten Konzentrator aufweist. Dabei ist der Konzentrator in verschiedenen Bereichen unterschiedlich gekrümmt und kommt so der gewünschten Parabelform recht nahe. Dies ermöglicht zwar, bei vertretbaren Kosten eine Konzentration der Strahlung zu erreichen, die im Absorberrohr eine Temperatur von gegen 500 °C ermöglicht, nicht aber eine noch einmal gesteigerte Prozesstemperatur im Absorberrohr.

[0020] In der US 2010/0 037 953 wird deshalb vorgeschlagen, einen Rinnenkollektor mit Sekundärkonzentratoren auszurüsten. Dadurch wird die durch den Primärkonzentrator des Rinnenkollektors quer zu dessen Länge konzentrierte Strahlung noch einmal, diesmal längs konzentriert, mit der Folge dass der Länge des Rinnenkollektors nach eine Reihe von Brennpunkten erzeugt werden, in denen die Sonnenstrahlung höher konzentriert ist. Um dem Sonnenstand entsprechend die Sekundärkonzentratoren ausrichten zu können, sind diese mit einander synchron verschwenkbar ausgebildet.

[0021] Die dargestellte Anordnung der Sekundärkonzentratoren ist von komplizierter Bauart und erlaubt nicht, die Kapazität des Primärkollektors für verschiedene Neigungswinkel der Sekundärkonzentratoren vollständig zu nutzen, da diese in gerader Stellung zwischen sich Lücken offen lassen, was ungenutzter Strahlung entspricht, oder, wenn lückenlos angeordnet, schon bei geringer Schrägstellung mit einander kollidieren. Dies hat einen verringerten Wirkungsgrad des ganzen Kollektors zur Folge, da einerseits durch die Lücken Strahlung nicht genutzt wird oder andererseits, bei minimierten Lücken, die Sekundärkonzentratoren nur ungenügend auf den Sonnenstand, d.h. dem skew angle entsprechend ausgerichtet werden können.

[0022] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rinnenkollektor mit Sekundärkonzentratoren mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.

[0023] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sonnenkollektor mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und 13, sowie durch einen Sekundärkonzentrator mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 16.

[0024] Dadurch, dass der Verschwenkbereich der Sekundärkonzentratoren von einem positiven Winkelbereich über die Vertikale in den negativen Winkelbereich erstreckt, und die vom Primärkonzentrator reflektierte Strahlung in allen Winkelstellungen vollständig erfasst werden kann, kann die vom Primärkonzentrator reflektierte Strahlung praktisch zu jeder Tageszeit vollständig genutzt werden.

[0025] Dadurch, dass die längs konzentrierenden Wände der Sekundärkonzentratoren Sekundärkonzentratoren im Eintrittsbereich der Strahlung verschiedene Länge aufweisen, derart, dass eine längere reflektierende Wand eines Sekundärkonzentrators jeweils neben einer kürzeren reflektierenden Wand des benachbarten Sekundärkonzentrators liegt, steht eine einfache Konstruktion zur Verfügung, welche die Aufgabe der vorliegenden Erfindung löst.

[0026] Dadurch, dass die Sekundärkonzentratoren der Länge des Primärkonzentrators nach in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei jede Reihe von Sekundärkonzentratoren auf einen ihr zugeordneten Längenabschnitt des Primärkonzentrators ausgerichtet ist, ergibt sich zusätzlich eine Steigerung des Wirkungsgrads. Obschon damit die Sekundärkonzentratoren in Querrichtung weniger Strahlung aufnehmen, können sie mit einem in Längsrichtung geringeren Akzeptanzwinkel ausgebildet werden, was die Konzentration als solche verbessert und damit den Wirkungsgrad der Anordnung erhöht.

[0027] Die Anordnung der Sekundärkonzentratoren in mehreren Reihen ist in ihrer Wirkung unabhängige von der erfindungsgemässen Ausbildung der Sekundärkonzentratoren betreffend ihrer Verschwenkbarkeit, aber synergistisch für einen optimalen Wirkungsgrad.

[0028] Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und anhand der Figuren näher beschrieben.

[0029] Es zeigt: <tb>Fig. 1a<sep>schematisch einen Rinnenkollektor gemäss dem Stand der Technik, mit einer Druckzelle, <tb>Fig. 1b<sep>schematisch einen Rinnenkollektor gemäss Fig. 1a, der Sekundärkonzentratoren aufweist, <tb>Fig. 1c<sep>schematisch in einer Ansicht den wechselnden Einfallswinkel der Sonne darstellt, <tb>Fig. 1d<sep>ein Diagramm, das den wechselnden Einfallswinkel darstellt, <tb>Fig. 1e<sep>schematisch einen Längsschnitt durch den Kollektor von Fig. 1a <tb>Fig. 2a<sep>einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Rinnenkollektor, <tb>Fig. 2b<sep>vergrössert den gestrichelten Bereich von Fig. 2a, <tb>Fig. 3a<sep>den Ausschnitt von Fig. 2ain einer anderen Verschwenklage der Sekundärkonzentratoren entsprechend einem Einfallswinkel S der Sonnenstrahlung, <tb>Fig. 3b<sep>den Ausschnitt von Fig. 2ain einer weiteren Verschwenklage der Sekundärkonzentratoren entsprechend einem Einfallswinkel S der Sonnenstrahlung, <tb>Fig. 4<sep>eine dreidimensionale Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Primärkonzentrators, <tb>Fig. 5<sep>eine dreidimensionale Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Primärkonzentrators mit einer zugeordneten Photozelle, <tb>Fig. 6<sep>eine dreidimensionale Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Primärkonzentrators mit einer Verschwenkanordnung für die Verschwenkung gegenüber dem Primärkonzentrator, und <tb>Fig. 7<sep>einen Querschnitt durch eine Druckzelle eines erfindungsgemässen Rinnenkollektors mit Sekundärkonzentratoren, die jeweils einem Längsabschnitt des Primärkonzentrators zugeordnet sind.

[0030] Fig. 1a zeigt einen Rinnenkollektor 1 konventioneller Art mit einer Druckzelle 2, welche die Gestalt eines Kissens aufweist und durch eine obere, flexible Membran 3 und eine in der Figur verdeckte, untere flexible Membran 4 gebildet wird.

[0031] Die Membran 3 ist für Sonnenstrahlen 5 durchlässig, die im Inneren der Druckzelle 2 auf eine Konzentrator-Membran (Konzentrator 10, Fig. 2a) fallen und durch diese als Strahlen 6 reflektiert werden, hin zu einem Absorberrohr 7, in dem ein Wärme transportierendes Medium zirkuliert, das die durch den Kollektor konzentrierte Wärme abführt. Das Absorberrohr 7 wird durch Stützen 8 im Brennlinienbereich der Konzentrator-Membran (Konzentrator 10, Fig. 2a) gehalten.

[0032] Die Druckzelle 2 ist in einem Rahmen 9 aufgespannt, der wiederum in bekannter Art dem täglichen Sonnenstand entsprechend verschwenkbar auf einem Gestell gelagert ist.

[0033] Solche Sonnenkollektoren sind beispielsweise in der WO 2010/037 243 und der WO 2008/037 108 beschrieben. Diese Dokumente werden durch Verweis ausdrücklich in die vorliegende Beschreibung einbezogen.

[0034] Obschon die vorliegende Erfindung bevorzugt in einem als Rinnenkollektor ausgebildeten Sonnenkollektor dieser Art, d.h. mit einer Druckzelle und einer in der Druckzelle aufgespannten Konzentrator-Membran Anwendung findet, ist sie in keiner Weise darauf beschränkt, sondern beispielsweise ebenso in Rinnenkollektoren anwendbar, deren Konzentratoren als nicht flexible Spiegel ausgebildet sind. Kollektoren mit nicht flexiblen Spiegeln werden beispielsweise in den oben erwähnten Kraftwerken eingesetzt.

[0035] Ebenso können generell an Stelle eines Absorberrohrs Photovoltaische Zellen vorgesehen werden.

[0036] In den nachstehend beschriebenen Figuren sind jeweils die für das Verständnis der Erfindung nicht relevanten Teile des Rinnenkollektors weggelassen, wobei hier noch einmal erwähnt sei, dass solche weggelassenen Teile entsprechend des oben beschriebenen Stands der Technik (Kollektoren mit Druckzelle oder solche mit nicht flexiblen Spiegeln) ausgebildet sind und vom Fachmann für den konkreten Anwendungsfall leicht bestimmt werden können.

[0037] Fig. 1b zeigt einen Rinnenkollektor mit Sekundärkonzentratoren. Ein grundsätzlich wie der Kollektor 1 von Fig. 1aausgebildeter Kollektor 10 weist einen Konzentrator 11 und ein an Stützen 8 gelagertes Absorberrohr 12 auf. Sonnenstrahlen 5 fallen auf den Primärkonzentrator 11 und werden von diesem als Strahlen 6 reflektiert. Durch die konkrete Ausbildung des Konzentrators 11 ergibt sich ein Strahlungspfad für reflektierte Strahlung, der durch die Strahlen 6 repräsentiert ist.

[0038] Für die Orientierung in der Figur zeigt der Pfeil 16 die Längsrichtung, der Pfeil 17 die Querrichtung an. Entsprechend ist der Konzentrator 11 in Querrichtung 17 gekrümmt und konzentriert in einer ersten Richtung, nämlich in Querrichtung 17.

[0039] Der Strahlungspfad des Konzentrators 11 weist einen Brennlinienbereich bzw. eine Fokalebene auf, notwendigerweise, da einerseits auf Grund des Öffnungswinkels der Sonne deren Strahlung 5 nicht parallel einfällt, die Konzentration in eine geometrisch genaue Brennlinie damit gar nicht möglich ist und zudem, weil eine genaue parabelförmige Krümmung des Konzentrators für eine theoretisch soweit wie möglich angenäherte Brennlinie mit vernünftigem Kostenaufwand nicht machbar ist.

[0040] In der Figur plattenförmig ausgebildete, für konzentrierte Strahlung transparente optische Elemente 20 sind Bestandteil eines Sekundärkonzentrators und sind im ersten Strahlungspfad des Konzentrators 11 angeordnet, so dass der Strahlungspfad durch diese hindurch verläuft. Diese optischen Elemente 20 brechen die auf sie einfallende (durch den Konzentrator 11 reflektierte) Strahlung 6 in einer zweiten Richtung, nämlich in Längsrichtung 16 derart, dass die Strahlung 6 nach den optischen Elementen 20 in Brennpunktbereiche 21 konzentriert wird. In der Figur sind eine der Länge des Sonnenkollektors entsprechende Anzahl optischer Elemente 20 (und damit Sekundärkonzentratoren) dargestellt und deren Brennpunktbereiche beispielhaft bei zwei optischen Elementen 20 eingezeichnet.

[0041] Zu den Sekundärkonzentratoren gehören hier beispielsweise noch Träger 22, die am Absorberrohr 12 festgelegt sind und an denen die optischen Elemente 20 in Position gehalten werden.

[0042] Das hier als Absorberrohr 12 ausgebildetes Absorberelement befindet sich am Ort der Brennpunktbereiche 21 und besitzt eine Anzahl thermische Öffnungen 23 für den Durchtritt der konzentrierten Strahlung 15 in das Innere des Absorberrohrs 12. Eine thermische Öffnung erlaubt den Wärmedurchgang der konzentrierten Strahlung, ist aber nicht notwendigerweise als mechanische Öffnung ausgebildet.

[0043] Am Ort der thermischen Öffnungen 23 können auch photovoltaische Zellen angeordnet werden.

[0044] Fig. 1c zeigt schematisch die Lage des in der Richtung Nord-Süd ausgerichteten Primärkonzentrator 11 in Bezug auf die Sonne, die vom Morgen bis zum Abend auf ihrer Bahn 30 läuft. Entsprechend der Ansicht von Fig. 1c ist der Konzentrator 11 am Morgen nach links geneigt, d.h. nach Osten und am Abend nach rechts, d.h. nach Westen (die entsprechende Verschwenkung des Konzentrators 11 ist durch den in der Figur eingetragenen Doppelpfeil D angedeutet). Je nach Standort und Saison verläuft dabei die Bahn 30 der Sonne höher oder tiefer über den Himmel, so dass ein Sonnenstrahl 31 schräg auf den auf die Sonne ausgerichteten Konzentrator 11 fällt. Der Einfallswinkel S zwischen dem Sonnenstrahl 31 und der Normalen N auf den Konzentrator 11 ist als skew-angle S bekannt. Die Normale N steht senkrecht auf der tiefsten Mantellinie des Konzentrators 11.

[0045] Fig. 1d zeigt ein Diagramm, in dem horizontal die Tageszeit (morgens-mittags-abends) und ein zugehöriger skew-angle (Winkel S) dargestellt ist. Typischerweise liegt der skew-angle oder Einfallswinkel S im Winter zwischen beispielsweise 20° und 50° (Kurve A), im Sommer zwischen minus 20° und plus 70° (Kurve B). Daraus ergibt sich die Forderung, dass die Sekundärkonzentratoren entsprechend mit einander synchron verschwenkbar im Rinnenkollektor angeordnet sind, so dass sie über Tag bei wechselndem Sonnenstand stets der einfallenden Strahlung 31 gemäss ausgerichtet werden können.

[0046] Fig. 1e zeigt einen Längsschnitt durch den Konzentrator 11, mit Sicht auf dessen östliche Hälfte. Dargestellt ist ein Sonnenstrahl 32, der über mit einem skew-angle S von ca. 50° auf den Konzentrator 11 einfällt und als reflektierter Strahl 32 ́ im gleichen Winkel zur Normalen N reflektiert wird. Weiter ist ein zweiter Sonnenstrahl 33 dargestellt, der mit einem skew-angle 33 ́ von ca. minus 20° einfällt und als Strahl 33 ́ reflektiert wird. Die Strahlen 32 ́ und 33 ́ begrenzen beispielhaft den Verschwenkbereich, der für optimierte Sekundärkonzentratoren erforderlich ist.

[0047] Fig. 2a zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgmässen Rinnenkollektor 40, entsprechend einem Kollektor gemäss den Fig. 1a bzw. 1b, wobei zur Entlastung der Figur nur ein Ausschnitt aus der Mitte des Kollektors 40 dargestellt und dessen Enden weggelassen sind.

[0048] An Stelle eines Absorberrohrs 12 (Fig. 1b) sind erfindungsgemäss Sekundärkonzentratoren 41 vorgesehen, mit einem Eintrittsbereich 42 und einem Austrittsbereich 43. Durch den Konzentrator 11 werden die einfallenden Sonnenstrahlen 43 in Querrichtung 17 konzentriert und gelangen im Eintrittsbereich 42 als reflektierte Sonnenstrahlen 43 ́ in den jeweiligen Sekundärkonzentrator 41, der seinerseits die Sonnenstrahlen 43 ́ noch einmal in Längsrichtung 16 konzentriert, so dass in seinem Austrittsbereich 44 ein Brennpunktbereich für die nun einmal längs und einmal quer konzentrierte Sonnenstrahlung entsteht.

[0049] Zur Konzentration in Längsrichtung 16 besitzt jeder Sekundärkonzentrator 41 eine erste reflektierende Wand 45 und eine zweite reflektierende Wand 46 für die in ihn eintretende Strahlung 42 ́. Erfindungsgemäss weisen die erste und die zweite reflektierende Wand 45, 46 der Sekundärkonzentratoren 41 im Eintrittsbereich 42 der Strahlung verschiedene Länge auf, derart, dass eine längere reflektierende Wand eines Sekundärkonzentrators jeweils neben einer kürzeren reflektierenden Wand des benachbarten Sekundärkonzentrators liegt.

[0050] Fig. 2b zeigt vergrössert einen Ausschnitt entsprechend dem gestrichelten Bereich 47 von Fig. 2a.

[0051] Dargestellt sind zwei neben einander liegende Sekundärkonzentratoren 41, beide parallel zur Normalen N (Fig. 2a) ausgerichtet. Weiter ersichtlich ist, dass hier die zweite Wand 46 länger ausgebildet ist als die erste Wand 45, wobei der Abstand der Sekundärkonzentratoren derart bemessen ist, dass die untere Kante 48 der längeren Wand 46 die untere Kante 49 der kürzeren Wand 45 beschattet, wenn die reflektierte Strahlung 42 ́ ebenfalls parallel zur Normalen N in die Sekundärkonzentratoren 41 einfällt. Dies wird durch die gestrichelte Linie 50 verdeutlicht. Dadurch besteht für die durch den Konzentrator 11 reflektierte Strahlung 43 ́ keine Lücke zwischen den Sekundärkonzentratoren 41. Diese sind damit derart ausgebildet und angeordnet, dass sie im Betrieb die vom Konzentrator reflektierte Strahlung über den ganzen Verschwenkbereich vollständig erfassen.

[0052] Fig. 3a zeigt nun die erfindungsgemässe Anordnung, nämlich einen Konzentrator 11 mit ihm zugeordneten Sekundärkonzentratoren 41 bei einem Einfall der Sonnenstrahlen 32 unter einem skew-angle S von 50°. Die Sekundärkonzentratoren sind diesem Winkel entsprechend verschwenkt. Die längeren Wände 46 ragen in die Eintrittsbereiche 42 der benachbarten Sekundärkonzentratoren 41 hinein. Mit anderen Worten ist es so, dass durch die kürzeren Wände 45 der Platz für die längeren Wände 46 frei ist, was die Verschwenkung der Sekundärkonzentratoren 41 überhaupt ermöglicht. Auch in dieser Verschwenklage gibt es keine Lücke zwischen den Sekundärkonzentratoren 41 für reflektierte Strahlung 32 ́, so dass diese wiederum alle vom Konzentrator 11 reflektierten Strahlen erfassen.

[0053] Fig. 3b zeigt die erfindungsgemässe Anordnung unter einem skew-angle S von minus 20°. Dabei schlagen zwar die längeren Wände 46 der Sekundärkonzentratoren 41 jeweils an einer kürzeren Wand 45 eines benachbarten Sekundärkonzentrators 41 an, was den Verschwenkbereich auf einen skew-angle S von minus 20° limitiert, was wiederum gemäss den zu erwartenden Einfallswinkeln S (s. Fig. 1d) genügend ist. Auch in dieser Verschwenklage gibt es keine Lücke zwischen den Sekundärkonzentratoren 41 für reflektierte Strahlung 33 ́, so dass diese wiederum alle vom Konzentrator 11 reflektierten Strahlen erfassen.

[0054] Fig. 4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemässen Sekundärkonzentrators 41 mit seiner ersten längeren Wand 46, der zweiten kürzeren Wand 45 und zwei Seitenwänden 55 und 56.

[0055] Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste kürzere 45 und die zweite längere reflektierende Wand 46 des Sekundärkonzentrators als Compound parabolic concentrator ausgebildet, der als solcher dem Fachmann bekannt ist. Ein Compound parabolic concentrator besitzt einen Akzeptanzwinkel AW, bei welchem innerhalb dieses Winkels θin eintretende Strahlung an einer Wand 45, 46 nur einmal reflektiert und dann aus dem Austrittsbereich 43 unter dem Winkel θoutabgegeben wird. Weiter bevorzugt besitzen die kürzere Wand 45 und die längere Wand je dieselben Werte für θinund θout d.h. die kürzere Wand 45 entspricht in ihrem Profil der längeren Wand 46, welcher der entsprechende Abschnitt weggeschnitten worden ist.

[0056] Der Fachmann kann nun im konkreten Fall den erfindungsgemässen Sekundärkonzentrator derart auslegen, dass einerseits die gewünschte Sekundärkonzentration in Längsrichtung eintritt und andererseits durch den Unterschied in der Länge der beiden längs konzentrierenden Wände die Verschwenkbarkeit im konkret notwendigen Mass gegeben ist.

[0057] Insbesondere sei erwähnt, dass durch den Öffnungswinkel der Sonne θin mindestens bei 0,5° liegen muss. Durch Abweichungen des Konzentrators von der idealen Parabelform ergeben sich Fehler in der idealen Konzentration, so dass θinbevorzugt zwischen 5° und 1° liegt. Für θoutkann ein geeigneter Wert vom Fachmann gewählt werden, der unter anderem abgestimmt ist auf eine beim Austrittsbereich 43 angeordnete Photozelle oder thermische Öffnung eines Absorberrohrs.

[0058] Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die Sekundärkonzentratoren 41 Mittel zur weiteren Konzentration der einfallenden Strahlung in ersten, der Querrichtung 17 (Fig. 1a und 1c) auf. Bevorzugt sind dazu eine dritte reflektierende Wand 55 und eine vierte reflektierende Wand 56 vorgesehen, die sich gegenüberliegen, und die als hyperbolic concentrator ausgebildet sind. Erfindungsgemäss ist auch, die dritte Wand 55 und die vierte Wand 56 als wedge concentrator auszubilden. Sowohl ein hyperbolic concentrator als auch ein wedge concentrator sind als solche dem Fachmann bekannt, der diese im konkreten Fall geeignet auslegen kann.

[0059] Beispielsweise kann bei einer Breite des Primärkonzentrators 11 von 4,8 m und einem Öffnungswinkel von 150° für die primär konzentrierte Strahlung eine Konzentration von 55 Sonnen erreicht werden, wenn die Breite (Querrichtung 17) des Eintrittsbereichs 42 (Fig. 4) des Sekundärkonzentrators 41 entsprechend gewählt wird. Legt der Fachmann dann den Sekundärkonzentrator 41 auf eine Sekundärkonzentration von 10 in Längsrichtung 16 aus, ergibt sich eine gesamte Konzentration von 550 Sonnen. Diese kann durch eine Querkonzentration (s. oben) zusätzlich verbessert werden.

[0060] Fig. 5 zeigt eine weitere, bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Sekundärkonzentratoren 60, die an ihrem Austrittsbereich 43 je mit mindestens einer photovoltaischen Zelle 61 fest verbunden, die ihrerseits in einem Gehäuse 62 angeordnet ist, wobei das Gehäuse 62 wiederum Lagerzapfen 63 besitzt, an denen es verschwenkbar gegenüber dem Konzentrator 11 gelagert werden kann. Dadurch ist einerseits die mindestens eine Photozelle gegenüber dem Brennpunktbereich, erzeugt durch den Sekundärkonzentrator 60 fixiert und andererseits eine einfache Aufhängung für die Sekundärkonzentratoren 60 im Rinnenkollektor gegeben.

[0061] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Sekundärkonzentratoren 41, 60 gegenüber dem Primärkonzentrator 11 derart angeordnet, dass der Brennlinienbereich des Primärkonzentrators in der Vertikalstellung der Sekundärkonzentratoren 41, 60 oberhalb der Höhe der Eintrittskante 48 der längeren 46 der reflektierenden Wände liegt, die in der zweiten, Längsrichtung konzentrieren, und auf der Höhe oder unterhalb der Höhe der Eintrittskante 49 der kürzeren 45 dieser Wände liegt. Grundsätzlich wird ein Sekundärkonzentrator, insbesondere auch ein als Compound parabolic concentrator ausgebildeter Sekundärkonzentrator, derart angeordnet, dass der Brennlinienbereich bzw. die Fokalebene des Primärkonzentrators an der unteren Kante der reflektierenden Wände liegt. Nun übernimmt beim vorliegenden, erfindungsgemäss asymmetrisch ausgebildeten Sekundärkonzentrator 41, 60 die längere Wand 46 den grösseren Anteil an zu konzentrierender Strahlung. Entsprechend ist davon auszugehen, dass die Fokalebene für eine optimale Konzentration am Ort der unteren Kante 48 der längeren Wand 46 liegen muss. Überraschenderweise hat es sich jedoch gezeigt, dass dem nicht so ist, und die Fokalebene für einen optimalen Wirkungsgrad des Rinnenkollektors höher anzuordnen ist.

[0062] Für den Fall, dass der Sekundärkonzentrator zusätzlich einen Querkonzentrator aufweist, ist der Brennlinienbereich bzw. die Fokalebene des Primärkonzentrators 11 in der Vertikalstellung der Sekundärkonzentratoren oberhalb der Höhe der Eintrittskante 48 der längeren 46 der Wände liegt, die in der zweiten Querrichtung 17 konzentrieren und auf der Höhe oder unterhalb der Höhe des Eintrittsbereichs der Mittel zum Konzentrieren der Strahlung in der ersten Richtung, d.h. bevorzugt eines hyperbolic oder wedge concentrators.

[0063] Fig. 6 zeigt beispielhaft einen Sekundärkonzentrator 70, der um eine Verschwenkachse 71 verschwenkbar ist, die in Vertikalposition des Sekundärkonzentrators auf der Höhe der Eintrittskante der kürzeren der Wände liegt, die in der zweiten Richtung konzentrieren. Dies wird durch hier als Verschwenkzapfen 72 ausgebildete Mittel ermöglicht, an denen der Sekundärkonzentrator 70 gegenüber dem Primärkonzentrator 11 verschwenkbar gelagert werden kann.

[0064] Fig. 7 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch die Druckzelle 80 eines Rinnenkollektors 80, die gemäss der WO 2010/037 243 ausgebildet ist.

[0065] Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind mehrere Sekundärkonzentratoren 81, 82 neben einander vorgesehen, wobei jeder der neben einander liegenden Sekundärkonzentratoren 81, 82 reflektierte Strahlung aus einem zugeordneten Längenabschnitt 83, 84 des Primärkonzentrators 85 empfängt. Zur Entlastung der Figur ist nur die rechte Seite der Anordnung vollständig dargestellt, zu der die linke, nur angedeutete Seite betreffend der Symmetrieachse 86 symmetrisch ist. Obschon diese Anordnung für die Querkonzentration relevant erscheint, lässt sich überraschenderweise die Längskonzentration verbessern: Auf Grund der gewölbten Oberfläche des Primärkonzentrators 85 ergibt sich, dass der Akzeptanzwinkel θinfür die Sekundärkonzentration in Längsrichtung verkleinert werden kann, wenn die vom Sekundärkonzentrator erfasste Breite des Primärkonzentrators kleiner ist. Als Grundregel ist dem Fachmann bekannt, dass insbesondere bei einem Compound parabolic concentrator ein kleinerer Akzeptanzwinkel 6 in zu einer höheren Konzentration führt. Vorliegend bedeutet dies, dass sich der Wirkungsgrad des Rinnenkollektors durch im Querschnitt neben einander liegende Sekundärkonzentratoren weiter verbessert.

[0066] Da einmal die Sekundärkonzentratoren der Länge des Primärkonzentrators nach hinter einander liegen (Fig. 1b) und dann noch Sekundärkonzentratoren erfindungsgemäss neben einander angeordnet sind, ergibt sich, dass die Sekundärkonzentratoren der Länge des Primärkonzentrators nach in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei jede Reihe von Sekundärkonzentratoren auf einen ihr zugeordneten, Längenabschnitt des Primärkonzentrators ausgerichtet ist.

[0067] Diese Anordnung ist natürlich nicht nur bei einem Primärkonzentrator, ausgebildet gemäss Fig. 7(d.h. entsprechend der Offenbarung von WO 2010/037 243) anwendbar, sondern in Zusammenhang mit rinnenförmigen Primärkonzentratoren beliebiger Bauart. Hingegen ist es besonders vorteilhaft, für die in einem Primärkonzentrator gemäss WO 2010/037 243 gebildeten Längsabschnitte mit verschiedener Krümmung in Querrichtung gesehen eigene Sekundärkonzentratoren vorzusehen.

[0068] Entsprechend ergibt sich, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform, dass der Primärkonzentrator aus einer Anzahl bereichsweise auf einander liegenden, druckbeaufschlagten Folien besteht und Bereiche mit verschiedener Krümmung aufweist, wobei und eine oder mehrere dieser Bereiche einen Längenabschnitt bilden.

Claims (20)

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

2. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite reflektierende Wand des Sekundärkonzentrators als Compound parabolic concentrator ausgebildet sind.

3. Rinnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der Verschwenkbereich über die Vertikale in den negativen Winkelbereich erstreckt, bevorzugt bis -5°, besonders bevorzugt bis -10°, und ganz bevorzugt bis -20°.

4. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Sekundärkonzentratoren Mittel zur weiteren Konzentration der einfallenden Strahlung in der ersten Richtung aufweisen.

5. Rinnenkollektor nach Anspruch 4, wobei die Mittel zur weiteren Konzentration in der ersten Richtung eine dritte reflektierende Wand und eine vierte, der dritten Wand gegenüberliegende reflektierende Wand aufweisen, die als hyperbolic concentrator ausgebildet sind.

6. Rinnenkollektor nach Anspruch 4, wobei die Mittel zur weiteren Konzentration in der ersten Richtung einen wedge concentrator aufweisen.

7. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Austrittseite der Sekundärkonzentratoren je mit mindestens einer photovoltaischen Zelle fest verbunden sind.

8. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Sekundärkonzentratoren an der mindestens einen photovoltaischen Zelle aufgehängt sind, welche bevorzugt ihrerseits gegenüber dem Konzentrator verschwenkbar gelagert ist.

9. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei der Brennlinienbereich des Konzentrators in der Vertikalstellung der Sekundärkonzentratoren oberhalb der Höhe der Eintrittskante der längeren der reflektierenden Wände liegt, die in der zweiten, Längsrichtung konzentrieren, und auf der Höhe oder unterhalb der Höhe der Eintrittskante der kürzeren dieser Wände liegt.

10. Rinnenkollektor nach Anspruch 4 wobei der Brennlinienbereich des Konzentrators in der Vertikalstellung der Sekundärkonzentratoren oberhalb der Höhe der Eintrittskante der längeren der Wände liegt, die in der zweiten Richtung konzentrieren und auf der Höhe oder unterhalb der Höhe des Eintrittsbereichs der Mittel zum Konzentrieren der Strahlung in der ersten Richtung liegt.

11. Rinnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Sekundärkonzentratoren je um eine Verschwenkachse verschwenkbar sind, die in Vertikalposition des Sekundärkonzentrators auf der Höhe der Eintrittskante der kürzeren der Wände liegt, die in der zweiten Richtung konzentrieren.

12. Rinnenkollektor mit einem Primärkonzentrator, der einfallende Sonnenstrahlung in einer ersten Richtung quer zur Länge des Rinnenkollektors konzentriert und mit Sekundärkonzentratoren, welche die in der ersten Richtung konzentrierte Strahlung in einer zweiten, längs zum Primärkonzentrator verlaufenden Richtung auf Photozellen konzentrieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärkonzentratoren der Länge des Primärkonzentrators nach in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei jede Reihe von Sekundärkonzentratoren auf einen ihr zugeordneten, Längenabschnitt des Primärkonzentrators ausgerichtet ist.

13. Rinnenkollektor nach Anspruch 14, wobei die Sekundärkonzentratoren einer Reihe derart ausgerichtet sind, dass sie...

14. Rinnenkollektor nach Anspruch 14, wobei der Primärkonzentrator aus einer Anzahl bereichsweise auf einander liegenden, druckbeaufschlagten Folien besteht und Bereiche mit verschiedener Krümmung aufweist, wobei und eine oder mehrere dieser Bereiche einen Längenabschnitt bilden.

15. Sekundärkonzentrator für einen Rinnenkollektor, mit zwei einander gegenüberliegenden reflektierenden Wänden, die für in den zwischen ihnen liegenden Raum eintretende Strahlung einen Compound parabolic concentrator bilden, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich eine der Wände gegenüber der anderen Wand verlängert ausgebildet ist und auch im überstehenden Abschnitt das Profil des Compound parabolic concentrators fortsetzt.

16. Sekundärkonzentrator nach Anspruch 17, wobei am Austrittsbereich mindestens eine photovoltaische Zelle angeordnet ist.

17. Sekundärkonzentrator nach Anspruch 17, wobei der Raum zwischen den reflektierenden Wänden seitlich durch weitere reflektierende Wände begrenzt ist, die für die eintretende Strahlung einen hyperbolic concentrator oder eine wedge concentrator bilden, dessen Konzentrationsrichtung quer zur Konzentrationsrichtung des Compound parabolic concentrators verläuft.

18. Sekundärkonzentrator nach Anspruch 17, wobei Mittel vorgesehen sind, um ihn verschwenkbar zu lagern, wobei die Verschwenkachse auf der Höhe der kürzeren Wand des Compound parabolic concentrators liegt und parallel zu ihrer unteren Kante angeordnet ist.

19. Sekundärkonzentrator nach Anspruch 17, wobei Mittel vorgesehen sind, um ihn verschwenkbar zu lagern, wobei die Verschwenkachse auf der Höhe der mindestens einen photovoltaischen Zelle liegt.

20. Rinnenkollektor mit einer Anzahl von Sekundärkonzentratoren welche die vom Konzentrator des Rinnenkollektors in einer ersten Richtung konzentrierte Sonnenstrahlung in einer zweiten Richtung konzentrieren, wobei die Sekundärkonzentratoren synchron um eine feste Verschwenkachse verschwenkbar angeordnet sind, derart, dass sie bei wechselndem Sonnenstand stets der einfallenden Strahlung gemäss ausgerichtet werden können, bis sie am Ende des Verschwenkbereichs an einander anschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verschwenkbereich von einem positiven Winkelbereich über die Vertikale in den negativen Winkelbereich erstreckt, wobei die Sekundärkonzentratoren derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie im Betrieb die vom Konzentrator reflektierte Strahlung über den ganzen Verschwenkbereich vollständig erfassen.