DE3308578C2 - Lichtbrechungskörper zum Konzentrieren von Sonnenstrahlen auf eine Sammelfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtbrechungskörper zum Konzentrieren von auf ihn auftreffenden Sonnenstrahlen auf eine Sammelfläche.

Um Lichtbrechungskörper zu erhalten, die für die Konzentrie­ rung von Sonnenenergie eingesetzt werden können, wurden in der Vergangenheit häufig Linsen mit Fresnel-Profil einge­ setzt, um ein Bündel von parallelen Strahlen auf den Brenn­ punkt zu konzentrieren. Lichtbrechungskörper, die solche Linsen verwenden, sind bereits vorgeschlagen worden; diese Lichtbrechungskörper werden entweder auf Vorrichtungen an­ geordnet, die dem Lauf der Sonne folgen, oder sie können auch stationär angebracht werden; im zuletzt erwähnten Fall werden sie jedoch mit geeigneten Elementen gekoppelt, die das Vorhandensein eines Mechanismus, der dem Lauf der Sonne folgt, simuliert.

Die Anwendung solcher Lichtbrechungskörper ist jedoch rela­ tiv aufwendig und dementsprechend kostspielig; aufgrund ih­ rer komplexen Konstruktion hat deshalb die Realisierung zu Problemen geführt.

Aus der DE 81 27 595 U ist ein Lichtbrechungskörper bekannt, der in der Art einer Fresnel-Linse Stufenlinsen bildende Prismen aufweist, die abschnittsweise zur Erzeugung von Sonnenstrahlenbündeln verschiedener Richtungen zusammengefaßt sind, wobei sich sämtliche Sonnenstrahlenbündel auf einer einem Wandler zugehörigen Sammelfläche überlappen. In der genannten Druckschrift ist eine Vorrichtung mit zwei solchen V-förmigen zueinander geneigten Lichtbrechungskörpern beschrieben, wobei der Wandler auf einer Achse vorgesehen ist, zu der die beiden Lichtbrechungskörper symmetrisch angeordnet sind und die sich in Richtung der einfallenden Sonnenstrahlen erstreckt. Damit bei Änderung des Einfalls der Sonnenstrahlen weiterhin eine Umlenkung der Sonnenstrahlen auf die mit dem Wandler verbundene Sammelfläche erfolgt, muß die Vorrichtung dem Sonnenstand entsprechend nachgeführt werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Lichtbrechungskörper zu schaffen, der den Aufbau einer Vorrichtung zur Verdichtung und Sammlung von Sonnenstrahlen ermöglicht, bei der keine Nachführung zur Anpassung an die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlen erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch diese erfindungsgemäße Lösung läßt sich ohne Maßnahmen zur Nachführung gewährleisten, daß auf die Empfängerfläche auftreffende Sonnenstrahlen verdichtet und einer Sammelfläche zugeführt werden, wobei der Flächeninhalt der Sammelfläche wegen der begrenzten Verschiebung des Lichtflecks auf der Sammelfläche klein im Vergleich zur Empfängerfläche des Lichtbrechungskörpers sein kann, so daß ein Wandler mit einer kleinen Empfängerfläche, die durch den Lichtfleck weitgehend ausgeleuchtet wird, verwendbar ist.

Mit dem neuen Lichtbrechungskörper können nun einfachere und damit leichter einzusetzen­ de Systeme entwickelt werden. Die Herstellung der oben er­ wähnten Refraktor-Sektionen führt jedoch immer zu Herstel­ lungsproblemen und damit zu relativ hohen Herstellungskosten.

Ein solcher Lichtbrechungskörper kann insoweit als revolu­ tionär angesehen werden, als er sowohl leicht als auch mit relativ geringen Kosten aus jedem geeigneten, massiven trans­ parenten Material hergestellt werden kann; es ist beispiels­ weise auch möglich, jede herkömmliche Anlage für die Anfer­ tigung von kontinuierlichen Glasscheiben zu diesem Zweck einzusetzen.

Weiterhin läßt sich durch Verwendung des Systems nach der vorliegenden Erfindung die gezackte Oberfläche des Licht­ brechungskörpers noch leichter mit geeigneten Schichten aus hochreflektierendem Material bedecken, um die Zerstreuung von Energie, die an dem Benutzersystem reflektiert wird, nach außen hin so gering wie möglich zu machen; der Licht­ brechungskörper nach der vorliegenden Erfindung bildet den Deckel dieses Benutzersystems.

Bei herkömmlichen Lichtbrechungskörpern war im Gegensatz hierzu die Ablagerung bzw. Aufbringung der reflektierenden Schichten relativ aufwendig, da hierbei die sehr unregel­ mäßigen Oberflächenformen berücksichtigt werden mußten.

Der Licht­ brechungskörper nach der vorliegenden Erfindung kann als Modul- Bauteil für größere Sammleroberflächen eingesetzt werden.

Zu diesem Zweck können in der Praxis Lösungen aus Mehrfach- Kombinationen entwickelt und realisiert werden; um das dem Modulbauteil zugeordnete Konzentrations-Verhältnis aufrecht­ zuerhalten, werden so viele Sektoren der Sammleroberfläche vorgesehen, wie Modul-Bauteile eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die beiliegende, schemati­ schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt bzw. eine fragmentarische Ansicht des Lichtbrechungskörpers nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 1a im vergrößerten Maßstab eine Ansicht eines einzigen, geraden Prismas des Lichtbrechungskörpers,

Fig. 2 eine schematische Ansicht des Lichtbrechungs­ körpers zur Erläuterung der Definition der "Brennweite",

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Lichtbre­ chungskörpers nach Fig. 1 in der Stellung, in der die Sonnenenergie auf seine flache Fläche fällt,

Fig. 4 einen Graphen, bei dem das Konzentra­ tionsverhältnis über dem Abstand der Sammel­ fläche von dem Lichtbrechungskörper auf­ getragen ist,

Fig. 5 Sonnenabbildungen, die durch den Lichtbre­ chungskörper auf der Ebene maximaler Konzen­ tration von 8 Uhr bis 12 Uhr übertragen werden, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung, bei der die am weitesten außen liegenden Strahlen aufgetragen sind, die durch die prismatischen Elemente gebrochen wer­ den; diese Kurvendarstellung wird zur Bestimmung des Abstandes der Ebene maximaler Konzentration vom Lichtbrechungskörper verwendet.

Wie man aus den Zeichnungen erkennt, liegt das Grundziel der vorliegenden Erfindung, wie bereits oben erwähnt wurde, darin, eine Lichtbrechungs-Sektion zu entwickeln, die ei­ ne zeitlich feste Lage hat, deren Lage sich also im Laufe der Zeit nicht ändert, insbesondere nicht dem Lauf der Son­ ne nachgeführt werden muß; zu diesem Zweck werden verschie­ dene afokale Strukturelemente verwendet, d. h., gerade Prismen p, die Seite-an-Seite angeordnet sind und geeigne­ te Abmessungen haben, so daß während eines wesentlichen Teiles des Tages, d. h., des Einfalls von Sonnenlicht, ein Konzentrationsverhältnis C von mindestens 2,6, also C 2,60 aufrechterhalten werden kann.

In diesem Fall wird unter dem Begriff "Konzentrationsver­ hältnis C" das Verhältnis zwischen der Breite L des Licht­ brechungskörpers R und der Breite L′ der von der Sonne be­ strahlten Oberfläche auf einer Sammelfläche während des berücksichtigten Zeitraums eines Tages verstanden.

Die entscheidenden Merkmale des Systems nach der vorliegen­ den Erfindung liegen darin, daß in dem Halbraum gegenüber der Einfallsebene Pi der Sonnenstrahlen eine Ebene existiert, in der ein Konzentrationsverhältnis C 2,6, wie es oben definiert wurde, für eine Zeitspanne von bis zu 8 Stunden erreicht werden kann; die maximal erreichbare Zeitspanne hängt im wesentlichen von der Jahreszeit ab. Diese Ebene ist als Ebene maximaler Konzentration Pmc (Pmc = plane of maximum concentration) definiert (siehe Fig. 1).

Zusätzlich zur Ebene maximaler Konzentration Pmc kann die Sonnenenergie auf jeder anderen Ebene gesammelt werden, die sich in einem beliebigen Abstand d von der flachen Oberflä­ che des Lichtbrechungskörpers R befindet.

Selbstverständlich steht das erreichte Konzentrationsver­ hältnis C in Beziehung zu dem Abstand d: Je näher diese Ebene beim Lichtbrechungskörper R liegt, um so kleiner wird das Konzentrationsverhältnis sein.

Wie bereits oben erwähnt wurde, besteht der Lichtbrechungs­ körper R nach der vorliegenden Erfindung aus geraden Prismen p oder besser gesagt aus zwei Gruppen solcher Pris­ men, von der jede ihre eigenen geometrischen Eigenschaften hat.

Die beiden Gruppen von Prismen sind an einer geeigneten Achse Q verbunden, und werden beispielsweise mittels einer flachen Tragschicht, deren Dicke eo keine kritische Größe für die optische Leistung des Systems darstellt, zu einem einstückigen Bauteil verbunden.

Der Aufbau, die Abmessungen (die Höhe e, die Breite l, die Tiefe h) (siehe die Fig. 1, 1a) und die Zahl der verschiedenen geraden Prismen p, die über und unter der Verbindungsachse Q (siehe Fig. 1 bis 3) angeordnet sind, werden so ausgelegt, daß ein Lichtbrechungskörper R entsteht, der die Abwanderung des konzentrierten Sonnen­ bildes auf Grund der scheinbaren Bewegung der Sonne auf einer bestimmten Ebene (der Ebene der Maximalkonzentration Pmc) extrem stark, also maximal, begrenzen kann.

Im einzelnen müssen die Prismen p so ausgelegt und ange­ ordnet werden, daß von zwei Prismen das eine Prisma ps über der Verbindungsachse Q und das andere Prisma pi unter der Verbindungsachse liegen. Sie sind so angeordnet, daß sie die einfallenden Sonnenstrahlen in gleichentfernten Punkten in einem Abstand (yi) von der Achse Q sammeln. Dabei muß das untere Element pi immer eine kleinere "Brennweite" f als die Brennweite f′ des oberen Elementes ps (siehe Fig. 2) haben.

Die "Brennweite" eines Prismas p in bezug auf einen ge­ gebenen Radius und eine gegebene Lage des Prismas wird als der Abstand des Schnittpunktes zwischen der geraden Linie, die senkrecht auf dieser Fläche steht und durch die Ver­ bindungsachse Q verläuft, und dem am weitesten außen lie­ genden Lichtstrahl, der sich durch das Prisma p fortpflanzt, wenn der Einfallswinkel auf der flachen Ebene den Wert Null hat, von der flachen Fläche des Lichtbrechungskörpers R definiert.

Aus Fig. 1 läßt sich erkennen, daß bei Elementen mit einer maximalen Höhe e = 3 mm die Sonnenstrahlen auf der geographi­ schen Breite von 42°N am 22. Juni 8 Stunden lang durch Prismen pi mit einer Breite l₁ = 4 mm, die sich im unteren Bereich des Lichtbrechungskörpers R befinden, und durch Prismen ps mit einer Breite l₂ = 13 m oder weniger, die sich im oberen Teil des Lichtbrechungskörpers befinden, total reflektiert werden.

Dies wird erreicht, indem die flache Oberfläche des Licht­ brechungskörpers R mittags mit Ost/West-Ausrichtung senk­ recht zur Richtung der Sonnenstrahlen ausgerichtet werden.

In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen α den Winkel, der durch die Achse der gebrochenen Strahlen mit der horizon­ talen Ebene T gebildet wird.

Im Detail wird eine minimale Breite von 4 mm für die unte­ ren Elemente pi und von 6,5 mm für die oberen Elemente auf­ rechterhalten.

Die am weitesten außen liegenden Elemente erzeugen eine Totalreflexion für eine Mindestzeitspanne von 8 Stunden, so daß bei anfänglichen, geringen Energieverlusten optimale Betriebsbedingungen erreicht werden.

Nachdem die Elemente mit minimaler Breite l als obere und untere Elemente ausgelegt worden sind, wurden durch weitere Versuche die Abmessungen der Zwischenprismen p festgelegt, um die maximale Konzentration C auf einer bestimmten Ebene zu erreichen; als erste Näherung wurde diese Ebene in einem Abstand d = 350 mm von der flachen Fläche des Lichtbre­ chungskörpers R festgelegt.

Der untere Teil des Lichtbrechungskörpers R (siehe wieder Fig. 1) ist sehr viel aufwendiger und auch größer als der obere Teil; bei dieser Ausführungsform sind 42 Prismen p mit unterschiedlicher Breite l in dem unteren Teil vorge­ sehen, während es neun Prismen p mit unterschiedlicher Breite l im oberen Teil gibt.

Der Lichtbrechungskörper R nach der vorliegenden Erfindung kann aus jedem geeigneten transparenten Material aufgebaut werden. Geht man beispielsweise von einem transparenten Material mit dem Brechungsindex 1,5 aus, so kann der Licht­ brechungskörper R die Abbildung der Sonne auf einem bestimm­ ten Punkt konzentrieren und jede Abweichung von diesem Punkt begrenzen, so daß sich während der Zeit von 8 Uhr bis 16 Uhr das folgende Konzentrationsverhältnis ergibt:

(siehe Fig. 3 bis 6); dieser Wert gilt für eine Ebene maximaler Konzentration, die sich in einem Abstand d = 358 mm befindet.

Fig. 4 zeigt, wie sich dieses Konzentrationsverhältnis bei einer Verringerung dieses Abstandes von d = 358 mm bis d = 0 ändert.

Die am weitesten außen liegenden Elemente legen die Total­ reflexion fest. Der Energieverlust an diesen am weitesten außen liegenden Elementen kann berechnet werden; es ergibt sich, daß dieser Energieverlust nur 1,5% der durch Bre­ chung verlorengehenden Energie während der Zeit von 8 bis 16 Uhr beträgt.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Abbildung der Sonne, wie sie auf der Ebene maximaler Konzentration Pmc erscheint.

Dabei bezeichnet das Bezugszeichen R den Umriß des Licht­ brechungskörpers, während die Bezugszeichen La, Lb, Lc, Ld und Le die Umrisse der Abbildung der Sonne während der Zeit­ spanne von 8 Uhr bis 12 Uhr bezeichnen. Das Konzentrations­ verhältnis läßt sich leicht ableiten.

Die Abbildungen der Sonne während der Nachmittagsstunden sind nicht dargestellt, da diese Abbildungen die gleichen Abmessungen wie die Abbildungen haben, die den jeweiligen Morgenstunden entsprechen. Diese Abbildungen haben also einerseits eine "zeitliche Symmetrie" um die Mittagsstun­ de, also um 12 Uhr, sowie eine räumliche Symmetrie in be­ zug auf die Mittenebene des Lichtbrechungskörpers.

Durch Berechnungen wurde festgestellt, daß sich die Ebene maximaler Konzentration Pmc in einem etwas anderen Abstand befindet, als er zunächst angenommen wurde, d. h., d = 358 mm.

In Fig. 6 stellt die Y-Achse die Ebene dar, auf der sich die Flanken der prismatischen Elemente (siehe Fig. 1) befinden, während auf der X-Achse der Abstand d aufgetra­ gen ist; der obere Strahl rs entspricht dem Strahl, der durch das am weitesten außen liegende Ende des neunten oberen Elementes um 12 Uhr gebrochen wird; der untere Strahl ri entspricht dem Strahl, der, wieder um 12 Uhr, durch das am weitesten außen liegende Ende des 42. unteren Elementes gebrochen wird; das Bezugszeichen rin stellt schließlich den Zwischenstrahl dar, der um 8 Uhr durch das zweite obere Element gebrochen wird.

Der Schnittpunkt zwischen ri und rin gibt die exakte Lage der Ebene maximaler Konzentration Pmc, die sich in dem Abstand d = 358,34 mm befindet.

Auf dieser Ebene haben während der Zeitspanne von 8 Uhr bis 16 Uhr die maximalen und minimalen Koordinaten der durchgelassenen Strahlen längs der Y-Achse die folgenden Werte:

Y max = 118,14 mm
Y min = 53, 52 mm

Dadurch wird ein Konzentrationsverhältnis C erhalten von:

Dabei ist 447 mm die Gesamtbreite der 51 prismatischen Ele­ mente p, die die Breite L des Lichtbrechungskörpers R ge­ mäß diesem Ausführungsbeispiel festlegt.

Der Lichtbrechungskörper R gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einer Dicke e + eo von einigen wenigen Millimetern ausgelegt werden, so daß er leichter wird als herkömmliche Lichtbrechungskörper; außerdem hat er in bezug auf die Energietransmission ein hohes Leistungsvermögen und einen optimalen Wirkungsgrad.

Es läßt sich also feststellen, daß der Lichtbrechungskörper R nach der vorliegenden Erfindung leichter aufgebaut und einfacher gehandhabt werden kann als die üblichen Ausfüh­ rungsformen, also insgesamt besser ist als die bisher be­ kannten Systeme.

Diese Vorteile kommen noch zu dem wesentlichen Vorteil hin­ zu, daß nun Sonnenenergie ohne Verwendung einer Vorrich­ tung konzentriert werden kann, die dem Lauf der Sonne folgt.

Claims (5)

1. Lichtbrechungskörper (R) zum Konzentrieren von auf den Lichtbrechungskörper (R) auftreffenden Sonnenstrahlen auf eine Sammelfläche (Pmc) wobei

• a) der Lichtbrechungskörper (R) eine Basisplatte mit einer Empfängerfläche und einer Anzahl von geraden Prismen (p), die mit der der Empfängerfläche gegenüberliegenden Fläche der Basisplatte optisch verbunden und längs einer ersten von unten nach oben verlaufenden Richtung nebeneinander angeordnet sind, umfaßt,
• b) die Prismen (p) in einer Ebene, die durch die erste Richtung und die Flächennormale der Empfängerfläche aufgespannt wird, jeweils einen durch ein rechtwinkliges Dreieck gebildeten Querschnitt aufweisen und unter Bildung einer sägezahnartigen Oberfläche des Lichtbrechungskörpers (R) auf der der Empfängerfläche gegenüberliegenden Seite jeweils über eine ihrer Katheten mit der Basisplatte verbunden sind,
• c) die anderen zu der Basisplatte senkrechten Katheten maximal 3 mm lang sind,
• d) die Anordnung der Prismen (p) aus einer unteren und einer oberen Gruppe besteht,
• e) die senkrechten Katheten der oberen Gruppe von Prismen (p) den senkrechten Katheten der unteren, an die obere Gruppe angrenzenden Gruppe von Prismen (p) zugewandt sind, wobei die Anzahl der Prismen (p) in der unteren Gruppe größer als in der oberen Gruppe ist,
• f) die der Basisplatte zugewandten Katheten der Prismen (p) beider Gruppen mit zunehmendem Abstand von der Grenzlinie (Q) zwischen den beiden Gruppen kürzer werden und die Lichtstrahlablenkung durch ein Prisma (p) der unteren Gruppe jeweils größer ist als die Ablenkung durch ein im gleichen Abstand zu der Grenzlinie (Q) angeordnetes Prisma (p) aus der oberen Gruppe, und
• g) die Katheten, über die die Prismen (p) mit der Basisplatte verbunden sind, in der unteren Gruppe mindestens 4 mm und in der oberen Gruppe mindestens 6,5 mm lang sind.

2. Lichtbrechungskörper (R) nach Anspruch 1, wobei die Prismen (p) einstückig mit der Basisplatte verbunden sind.

3. Lichtbrechungskörper (R) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der aneinandergrenzenden Prismen (p) in der oberen Gruppe 9 und in der unteren Gruppe 42 beträgt.

4. Lichtbrechungskörper (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelfläche (Pmc) zu dem Lichtbrechungskörper (R) in einem Abstand von 358 mm angeordnet ist.

5. Lichtbrechungskörper (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sägezahnartige Oberfläche des Lichtbrechungskörpers (R) mit reflektierenden Schichten bedeckt ist, die die Streuung von Energie minimieren.