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Die
Erfindung betrifft eine Reflektorvorrichtung für einen Sonnenkollektor gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Sonnenkollektoren
der genannten Art dienen im allgemeinen dazu, die Strahlung der
Sonne über einen
parabolischen Umlenkspiegel auf einen Absorber zu richten, der die
empfangene Energie entweder thermisch durch Aufheizung eines den
Absorber durchströmenden
Mediums oder photovoltaisch durch unmittelbare Umwandlung in elektrische
Energie nutzt. Die Kollektoren sind dabei rinnenförmig ausgebildet,
da somit eine technisch einfache einachsige Nachführung der
Kollektoren gegenüber
der scheinbar bewegten Sonne möglich
ist. Darüber
hinaus sind der Umlenkspiegel und der Absorber ebenfalls relativ
einfach zu bauen. Üblicherweise
sind dabei der parabolischen Umlenkspiegel und der Absorber derart
aufeinander abgestimmt, daß der
von der Sonne kommende Lichtkegel in jedem Punkt des Umlenkspiegels
gerade auf den im Fokus des Umlenkspiegels liegenden Absorber trifft.
Hat der Absorber einen größeren Durchmesser,
gibt es unnötige Abstrahlverluste,
ist er zu klein, geht ein Teil der Strahlung ungenutzt verloren.
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Einachsig
nachgeführte,
konzentrierende Sonnenkollektoren können, wie bereits erwähnt, im Vergleich
zu zweiachsig nachgeführten
Kollektoren vergleichsweise einfach der Sonne folgen. Jedoch ist die
erreichbare Konzentration kleiner; folglich ist es bei Verwendung
der einachsigen Konzentration besonders wichtig, dem erreichbaren
Konzentrationsfaktor nahezukommen. Anordnungen mit einem (parabolischen)
Primärspiegel
und einem zylindrischen Absorber liegen jedoch, wie weiter unten
ausgeführt, in
der Konzentration deutlich unter der theoretisch möglichen
Obergrenze. Durch eine Erhöhung
der Konzentration kann ein kleinerer Absorber verwendet werden.
Unmittelbare Vorteile daraus sind die Verringerung thermischer Verluste,
die Verringerung der Kosten für
Absorber- oder Photovoltaik-Oberfläche bzw. Wärmeträgermedium, und die Verringerung
der Trägheit
durch das Wärmeträgermedium.
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Aus
der US-5 154 163 ist ein Sonnenkollektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 bekannt, der zusätzlich
zu dem genannten Umlenkspiegel einen Satz weiterer Umlenkspiegel,
sogenannter Sekundärreflektoren,
aufweist, welche die Aufgabe haben, das einfallende Licht weiter
zu bündeln
und auf einen im Durchmesser verkleinerten Absorber zu richten.
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Der
in der oben erwähnten
Druckschrift beschriebene Sonnenkollektor verwendet einen Sekundärreflektor,
der ein oder mehrere Parabolelemente (compound parabolic concentrator
= CPC) umfaßt. Diesen
Parabolelemente sind jeweils Involutenspiegelabschnitte nachgeordnet,
um alle einfallende Strahlung auf den Absorber umzulenken. Dabei
lassen sich hohe Konzentrationsfaktoren mit diesem Konzept nur mit
komplizierter Geometrie realisieren; es müssen mehrere verschieden gekrümmte Spiegel verwendet
werden; und die mittlere Anzahl an Reflexionen ist hoch. Letzteres
führt im
allgemeinen zu hohen Verlusten durch nichtperfekte Reflexion. Beispielsweise
sind bei der Ausführung
mit 6 CPS's, welche
die höchsten
Konzentrationsfaktoren erreicht, 12 zusätzliche Parabolspiegel, weitere
8 Involutenspiegel sowie Lichtleiterspiegel erforderlich.
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In "D.R. Mills and J.E.
Giutronich. Asymmetric non-imaging cylindrical solar concentrators.
Solar Energy, 20: Seite 45–55,
1978" werden nur
geringe Konzentrationen (C<10)
erreicht. Bei der in "R.
Winston and W.T. Welford. Design of nonimaging concentrators as
second stages in tandem with image-forming first-stage concentrators.
Applied Optics, 19:347-351, 1980" veröffentlichten
Anordnung wird ein ebener Absorber betrachtet; die erreichte Konzentration
mit einem CEC (Compound Elliptic Concentrator) als Sekundärkonzentrator
ist angegeben als nur rund 1/3 des thermodynamisch möglichen Wertes.
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In "E.M. Kritchmann.
Asymmetric second-stages concentrators. Applied Optics, 21: Seite 870–873, 1980" werden asymmetrische
Konfigurationen diskutiert.
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Der
in "Robert P. Friedman,
J. M. Gordon, and H. Ries. New high-flux two-stage optical design for
parabolic solar concentrators. Solar Energy, 51: Seite 317–325, 1993" beschriebene Sekundärkonzentrator
ist für
ebene Absorber konzipiert; für
größere Öffnungswinkel θR des Primärreflektors ist die Konzentration
konstruktionsbedingt begrenzt, z.B. kleiner als 8 für θR = 55°.
Weitere Konzepte mit einer deutlich unter dem Erreichbaren liegenden
Konzentration finden sich beispielsweise in US-4 505 260 und WO-A1-90/10182.
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Ziel
der beschriebenen Erfindung ist es, eine Reflektorvorrichtung für einen
Sonnenkollektor mit einem möglichst
hohen Konzentrationsfaktor mit technisch möglichst einfachen Mitteln zu
schaffen; dabei soll eine möglichst
niedrige mittlere Anzahl von Reflexionen erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung sowie deren Ausgestaltungen und Vorteile wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren erläutert.
Dabei zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung eines herkömmlichen rinnenförmigen Sonnenkollektors;
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2:
eine schematische Darstellung einer Reflektorvorrichtung für einen
Sonnenkollektor;
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3:
eine erfindungsgemäße Reflektorvorrichtung
in proportionaler Darstellung;
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4–11 verschiedene
Absorber-Sekundärkollekor-Anordnungen
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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12 eine
zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
der Absorber-Sekundärkollekor-Anordnung Erfindung
im Querschnitt.
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Die
Konzentration von Sonnenstrahlung auf einen zylindrischen Absorber
läßt sich
durch einen Sekundärkonzentrator
um einen Faktor C
2 erhöhen. Aus grundsätzlichen
Erhaltungsgrößen läßt sich
der maximal mögliche
Konzentrationsfaktor für
einen Sekundärreflektor
berechnen. Er beträgt
wobei θ
R der
halbe Öffnungswinkel
der Parabolrinne ist, d.h. der Winkel zwischen der Symmetrieachse und
der Verbindungslinie zwischen dem Brennpunkt (Fokus) und dem äußersten
Ende der Parabel.
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1 der
beigefügten
Zeichnungen zeigt einen Querschnitt durch einen rinnenartigen Sonnenkollektor 1 nach
dem Stand der Technik mit einem parabolischen rinnenförmigen Primärreflektor 2,
der einen zylindrischem Absorber 3 beleuchtet. Die Größe des Absorbers 3 ist
derart, daß der
Absorber 3 vom Ende 2a des Reflektors 2 unter
dem gleichen halben Öffnungswinkel α gesehen
wird wie die Sonne 4. In der Abbildung ist der Winkel α, und damit
der Absorber 3, im Vergleich zum Primärreflektor 2 stark
vergrößert dargestellt.
In 1 ist neben dem Mittenstrahl des Sonnenkegels 4a ferner
ein Randstrahl 4b gezeigt, der idealerweise vom Sonnenrand
auf den Rand des Absorbers 3 gespiegelt wird. Der vom Reflektorende 2a auf
den Absorber 3 auftreffende dargestellte Randstrahl 4b wird
nachfolgend als rechter Randstrahl bezeichnet.
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Wie
aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, ist also in jedem Fall
ein Konzentrationsfaktor größer als
oder gleich π möglich. Dieser
oben angegebene maximale Konzentrationsfaktor läßt sich allerdings aus theoretischen
Gründen
nur erreichen mit einem Sekundärreflektor,
der sich bis hinunter auf die parabolische Rinne erstreckt. Selbstverständlich würde in einem
solchem Extremfall der Sekundärkonzentrator den
Parabolspiegel vollständig
beschatten. Wird jedoch ein geringerer als der maximale Konzentrationsfaktor
gewählt,
so läßt dieser
sich auch mit kleinen und kompakten Sekundärreflektoren erzielen.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßer Sonnenkollektor 1 mit
einem bezüglich
des Primärspiegels 2 wiederum
stark vergrößert dargestelltem
Absorber 3 gezeigt, wobei darüber hinaus maßstäblich zum
Absorber 3 die rechte Hälfte
des erfindungsgemäßen Sekundärreflektors 5 zu
erkennen ist. Die linke Hälfte des
Sekundärreflektors
ist nicht dargestellt, ist aber achsensymmetrisch geformt wie die
dargestellte rechte Hälfte.
In 3 ist ein vollkommen maßstäblicher Querschnitt durch den
Sonnenkollektor 1 zu sehen, wobei die Größenverhältnisse
zwischen Primärreflektor 2 und
dem zweiflügeligen
Sekundärreflektor 5 erkennbar
sind.
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Die
Dimensionierung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung geschieht folgendermaßen:
Man
beginnt den Entwurf eines Sekundärreflektors 5, indem
man eine tatsächliche
Konzentration C2 wählt, die etwas geringer ist
als der in obiger Gleichung angegebene Maximalwert.
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Der
Radius des Absorberrohres 3 bei Anwendung eines Sekundärreflektors 5 ist
also RA1/C2 (RA1 = Radius des in 2 gestrichelt
dargestellten Absorberrohres 3a ohne Anwendung eines Sekundärreflektors).
Man beginnt den Entwurf des Sekundärreflektors 5 dadurch,
daß man
zunächst
die Lage des nunmehr verringerten Absorberrohres 3 festlegt.
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In
jedem Punkt des Primärreflektors 2 fallen die
Sonnenstrahlen aus einem Kegel 4a mit einem Öffnungswinkel
gleich dem Öffnungswinkel α der Sonne 4.
Sie werden so reflektiert, daß der
Zentralstrahl den Brennpunkt F des Primärreflektors 2 kreuzt.
Dabei werden die beiden Randstrahlen 4b, 4c der
Sonne 4 in einen Kegel um den Brennpunkt F reflektiert.
Diese beiden Randstrahlen 4b, 4c stellen nun die
Familie der Randstrahlen dar, auf die der Sekundärspiegel 5 ausgelegt
bzw. maßgeschneidert wird.
Die Lage des reduzierten Absorberrohres 3 wird nun so festlegt,
daß der
reduzierte Absorber 3 tangent zu den unteren Randstrahlen 4b der
Sonne 4 aus den Endpunkten 2a des Parabolreflektors 2 ist, wie
in 2 zu erkennen ist.
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Hier
und im folgenden sowie in den Patentansprüchen wird bei der Beschreibung
der Geometrie des Sonnenkollektors 1 und des Sekundärreflektors
im besonderen auf den in der Zeichenebene liegenden zweidimensionalen
Raum Bezug genommen. Selbstverständlich
handelt es sich jedoch bei allen Teilen um dreidimensionale Elemente,
die sich in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene weiter erstrecken.
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Im
folgenden wird nun jeweils einer der beiden Randstrahlen 4b der
Sonne 4 betrachtet. Auch wird nur angegeben, wie eine Seite
des Sekundärreflektors 5 definiert
wird. In 2 ist nur der rechte Flügel des
Sekundärreflektor
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
dargestellt. Selbstverständlich
liegt links oberhalb des Absorbers 3 in 2 der
linke, bezüglich
der Achse A in der Darstellungsebene symmetrische andere Flügel des
Sekundärreflektors 5.
Die andere Seite ergibt sich aus Spiegelung um die optische Achse
A und die Eigenschaften, welche für die eine Familie von Randstrahlen,
z.B. der rechten Randstrahlen, festgelegt sind, gelten analog für die andere
aus Symmetriegründen
ebenfalls. Wir betrachten also im folgenden die Randstrahlen 4b,
die vom linken Rand der Sonne 4 durch den Primärspiegel 2 reflektiert
werden, so daß sie
rechts am Brennpunkt F vorbeigehen. Die Lage des Absorberrohrs 3 ist
so festgelegt, daß der
Randstrahl vom linken Ende 2a des parabolischen Primärreflektors 2 gerade
tangent zum unteren Ende des Absorbers 3 ist.
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In 2 ist
der parabolische Primärreflektor 2,
der Absorber 3 und der Sekundärspiegel 5 gezeigt. Ferner
ist gestrichelt dargestellt die Größe eines notwendigen Absorbers 3a für den gezeigten
Primärspiegel 2,
falls kein Sekundärreflektor 5 vorhanden wäre. Dabei
ist die erheblich geringere Größe des erfindungsgemäßen Absorbers 3 erkennbar.
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Der
Sekundärreflektor
bei der gezeigten Ausführungsform
besteht aus einem ersten 51 und einem zweiten 52 Reflektorabschnitt,
wobei der erste Reflektorabschnitt 51 als Involute zum
Absorber 3 vom oberen Scheitel des Absorbers 3 bis
zu einem Schnittpunkt U mit dem tangentialen Randstrahl eines Punktes
P2, dessen Eigenschaften weiter unten erläutert werden.
Der zweite Reflektorabschnitt ist derartig geformt, daß alle rechten
Randstrahlen 4d, 4e aus Punkten jenseits von,
d.h. in 2 rechts von P3,
vom Sekundärreflektor 5 tangential
zum Absorber 3 reflektiert werden (gestrichelte Linien 4d, 4e).
Zur Verdeutlichung ist der Sonnenwinkel α in 1 und 2 sehr
groß gewählt worden. 3 zeigt
Primärreflektor 2 und
Sekundärreflektor 5 zusammen
in einer Abbildung für α = 0,4°, d.h. etwas
größer als
der tatsächliche
Sonnenwinkel von 0,27°.
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Abhängig von
den bisher gewählten
Parametern ergeben sich für
die genaue Ausbildung des Sekundärreflektors
und insbesondere des Übergangspunktes
U zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektorabschnitt 51, 52 zwei
Fallunterscheidungen:
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Fallunterscheidung 1:
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Es
ist möglich,
daß für Punkte
gleich unterhalb des Punktes P1 am linken
Rand 2a (also in der Zeichnung rechts davon) des Primärreflektors 2 die entsprechenden
Randstrahlen den Absorber 3 schneiden (auf diesen nicht
tangential auftreffen). Falls dieses der Fall ist, dann gibt es
einen zweiten Punkt P2 auf dem Primärreflektor 2,
mehr zum Scheitel desselben gelegen, welcher die Eigenschaft hat, daß der davon
ausgehende Randstrahl 4f ebenfalls tangent zum Absorber 3 ist.
Andernfalls sei P2 = P1.
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Der
Sekundärreflektor 5 beginnt
mit einem als Involute ausgebildeten ersten Reflektorabschnitt 51,
der sich vom oberen Scheitelpunkt des Absorbers 5 so lange
erstreckt, bis er den Randstrahl 4f aus diesem vorher genannten
Punkt P2 schneidet. U ist der Schnittpunkt
der Involute 51 mit dem Randstrahl aus P2 und
damit der Übergangspunkt
zwischen dem ersten Reflektorabschnitt 51 und dem zweiten
Reflektorabschnitt 52.
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Fallunterscheidung 2:
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Es
ist nun möglich,
daß für Punkte
auf dem Primärreflektor 2 rechts
von P2 die dazugehörigen Randstrahlen links am
Punkt U vorbeigehen, also auf den ersten Reflektorabschnitt 51 treffen.
Falls dieses der Fall ist, so gibt es einen weiteren Punkt P3 rechts von P2 gelegen,
mit der Eigenschaft, daß der
dazugehörige
Randstrahl 4g auch durch U geht. Andernfalls sei P3 = P2.
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Nicht-abbildende
Reflektoren lassen sich derart auslegen (maßschneidern), daß Randstrahlen einer
bestimmten Menge auf Randstrahlen einer anderen Menge reflektiert
werden.
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Von
dem Punkt U nach außen
erstreckt sich der zweite (maßgeschneiderte)
Reflektorabschnitt 52 des Sekundärreflektors 5, der
derart geformt ist, daß jeweils
die rechten Randstrahlen von Punkten des Primärreflektors 2 rechts
von P3 auf den linken bzw. unteren Rand
des Absorberrohres 3 reflektiert werden. Dies ist in 2 dargestellt.
Das Ende des Sekundärreflektors 5 wird
dann erreicht, wenn der dazugehörige
Punkt auf dem Primärspiegel 2 den äußersten
rechten Rand 2b erreicht hat.
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Durch
die Konstruktion der linken Hälfte
des Sekundärreflektors 5 ist
gewährleistet,
daß auch
alle linken Randstrahlen der Sonne 4 auf den Absorber 3 treffen.
Der linke Flügel
des Sekundärreflektors 5 ergibt
sich einfach durch Spiegelung an der optischen Achse A. Er gewährleistet
analog, daß alle
rechten Randstrahlen der Sonne 4 ebenfalls auf den Absorber 3 treffen.
Da der gesamte Sekundärreflektor 5 somit
dem Randstrahlenprin zip genügt,
ist garantiert, daß alle
Sonnenstrahlen (zwischen dem linken und rechten Rand) auf den Absorber 3 konzentriert
werden.
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Die
Form des Sekundärspiegels 5,
die sich daraus ergibt, ist in den 3 bis 11 für verschiedene
Werte von θR und C2/C2,max dargestellt. Der Scheitel des parabolischen
Spiegel liegt in dieser Darstellung immer bei dem Punkt (0,–100). Die
Form hängt
empfindlich von den Werten von θR und C2 ab. Immer
wurde der Sonnenwinkel α gleich
0,4° gewählt. In
vielen Fällen
entspricht diese Form nach außen
hin nahezu einer Geraden.
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4 (θR = 30°,
C2/C2,max = 0,7,
C2 = 4.4) zeigt eine Situation, in der die
Fallunterscheidungen P2 = P1 und
P3 = P2 gewählt werden.
In
5 (θR =
45°, C2/C2,max = 0,5, C2 = 2,22) und
6 (θR = 45°,
C2/C2,max = 0,7,
C2 = 3,11), ist P2 =
P1, aber P3 ≠ P2 zu wählen.
Für die
Abbildungen mit größerem θR,
7 (θR = 60°,
C2/C2,max = 0,5,
C2 = 1,81),
8 (θR = 60°,
C2/C2,max = 0,7,
C2 = 2,54),
9 (θR = 90°,
C2/C2,max = 0,5,
C2 = 1,57),
10 (θR = 90°,
C2/C2,max = 0,7,
C2 = 2,2 ), und
11 (θR = 120°,
C2/C2,max = 0,5,
C2 = 1,81), gilt P2 ≠ P1 und P3 ≠ P2.
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In 12 ist
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung dargestellt, bei der am Absorber 3b an seiner
dem nicht gezeigten Primärreflektor
abgewandten Seite wiederum ein Sekundärreflektor 5 angebracht
ist, und darüber
hinaus an der gegenüberliegenden
Seite des Absorbers 3b eine mit der optischen Achse fluchtende
Finne 53 angebracht ist. Bei dieser Ausführung ist
die Involutenform des ersten Reflektorabschnitts 51 entsprechend
der Gesamtheit Absorber 3b + Finne 53 geformt.
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Die
Verschiebung des Absorbers ist ein wesentliches Kriterium für die Ausbildung
gemäß der Ansprüche 1 bis
3 des Sonnenkollektors. Die Ausbildung gemäß Anspruch 1 weist eine derartige
Größe des Absorbers
auf, daß der
Sekundärreflektor
nur aus einer Involute besteht. Die Ausführung von Anspruch 2 entspricht
der in 3 und 4 dargestellten Form. Die Ausführung von
Anspruch 3 ist in 12 dargestellt.
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In
vielen Fällen
entspricht diese Form nach außen
hin nahezu einer Geraden, wie in Anspruch 7 festgestellt. Die in
diesem Anspruch angegebenen geraden Spiegel sind be sonders einfach
herzustellen. Mit der Ausführung
nach Anspruch 9 können durch
einen kleinen Spalt zwischen Involutenteil und dem reduzierten Absorber
etwaige Wärmeverluste des
Absorbers zum Spiegel reduziert werden, womit wiederum entsprechende
geringe Energieverluste verbunden sind. Anspruch 1 führt zu einer
sehr einfachen und kompakten Spiegelkonstruktion.
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Nach
Anspruch 4 kann zum vereinfachten Umbau bestehender Anlagen ohne
Sekundärreflektor
diese Absorberkombination konzentrisch zum Brennpunkt des Primärreflektors 2,
d.h. zum ursprünglichen
Absorberrohr 3a, angebracht werden. Eine solche Anordnung
ist in 12 gezeigt, für θR = 90°.
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Zur
Verringerung von nicht strahlungsbedingten Wärmeverlusten sowie zum Schutz
vor Degradation kann eine transparente Umhüllung 6 verwendet
werden, wie im Anspruch 10 erläutert. Zweckmäßigerweise
ist die in 8 gezeigte Umhüllung 6 in
einer derartigen Größe ausgeführt, daß der Übergangspunkt
U zwischen dem ersten 51 und dem zweiten 52 Reflektorabschnitt
des Sekundärreflektors 5 mit
der Umhüllung 6 zusammenfällt. Mit
anderen Worten ist der erste Reflektorabschnitt 51 innerhalb
und der zweite Reflektorabschnitt 52 außerhalb der Umhüllung 6 angebracht.
Die Umhüllung 6 ist vorzugsweise
evaluiert oder mit einem geeigneten Gas gefüllt. Bei geeigneter Größe des Sekundärreflektors 5 kann
dieser auch zur Gänze
innerhalb der Umhüllung 6 angeordnet
sein.
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Nach
Anspruch 11 kann die konzentrierte Strahlung zur Wärmegewinnung
verwendet werden, mit z.B. Öl
oder Wasser als Wärmeträgermedium,
zur Elektrizitätsgewinnung,
oder zur Gewinnung photochemischer Reaktionsprodukte. Die Ausführung ist besonders
zur einfachen Belegung mit photovoltaischen Elementen geeignet.
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Wie
in Anspruch 12 erläutert,
kann die Umkehrung des erfindungsgemäßen Prinzips bzw. des Strahlengangs,
bei der der Absorber zur Strahlungsquelle wird, zu einer gleichmäßigen Ausleuchtung
einer gegebenen Fläche
führen.
Die Strahlungsquelle ist in diesem Fall vorzugsweise eine Leuchtstoffröhre.
