DE69429449T2

DE69429449T2 - Anlage zum sammeln von strahlungsenergie

Info

Publication number: DE69429449T2
Application number: DE69429449T
Authority: DE
Inventors: Allan James Yeomans
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2014-12-03
Also published as: TW304219B; PT729557E; JPH09508232A; AP9600825A0; KR960706624A; KR100345757B1; ES2169118T3; JP3678424B2; EP0729557B1; DE69429449D1; TNSN94123A1; WO1995015465A1; AP629A; CN1047836C; NZ277002A; EG20494A; RU2134847C1; CN1138372A; ATE210807T1; BR9408184A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft Verbesserungen von Strahlungsenergiekollektoren und insbesondere einen verbesserten Sonnenstrahlungsenergiebündler.

Hintergrund

Sonnenkollektoren werden häufig zur Erzielung hoher Temperaturen in dem Energiesammelmedium ausgeführt. In der Vergangenheit wurde die Bündelung von Sonnenenergie dadurch erreicht, dass man Parabolbündelungsspiegel verwendete. Zylindrische, parabolische Strahlungsbündler sind weit verbreitet, da sie kostengünstig sind. Jedoch können solche Strahlungsbündler keine hohen Konzentrationsverhältnisse erreichen. Hohe Konzentrationsverhältnisse können jedoch leicht erreicht werden, indem man sphärische, Parabolbündelungsspiegel verwendet. Jedoch sind solche Spiegel für Einsatzmöglichkeiten mit Sonnenwärme extrem teuer.
Um mit einem zylindrischen Parabolspiegelsystem, das primäre zylindrische, parabolische Strahlungsbündler besitzt, hohe Konzentrationsverhältnisse zu erreichen, kann eine zusätzliche Reihe sekundärer zylindrischer Parabolspiegel in rechten Winkeln zur Brennlinie der primären Spiegel und im Brennpunkt der primären Spiegel angeordnet werden. Diese sekundären Spiegel bündeln die Energie auf Sammelröhren, die ein wärmeabsorbierendes Medium beinhalten. Solch eine Anordnung wird im US-Patent Nr. 4 281 640 von WEEKS gezeigt.
Wenn sich die Sonne in irgend einer anderen Position als direkt im rechten Winkel zur Brennlinie des primären Spiegels befindet, was direkt über Kopf bedeutet, können die sekundären Parabolspiegel jedoch nicht so angeordnet werden, dass mehr als ein kleiner Teil der reflektierenden Oberfläche der sekundären Spiegel sich auf der Brennlinienstrecke der primären Spiegel befindet.
Es ist somit erforderlich, die Länge der einzelnen sekundären Spiegel auszudehnen, um den größeren Bereich des Sonnenlichts von dem primären Spiegel einzufangen, da große Bereiche der sekundären Spiegel außerhalb des Brennbereiches des Lichtes der primären Spiegel sind. Zusätzlich muss die Länge der zu den sekundären Spiegeln gehörenden Sammelröhren vergrößert werden.
Die maximal von den primären Spiegeln erreichbaren Konzentrationsverhältnisse können von den sekundären Spiegeln nicht verwertet werden, und dies vermindert signifikant das gesamte maximale Konzentrationsverhältnis dieser Anordnung. Zusätzlich erhöht die längere Länge der einzelnen sekundären Spiegel wesentlich deren Kosten. Weiterhin entsteht erhöhter Wärmeverlust durch die längere Länge der Sammelröhren.
Normalerweise wird bei dem Aufbau von Sonnenenergiebündlern das Wärme sammelnde und befördernde Medium durch ein System von Röhren befördert. Der Wärme sammelnde Abschnitt der Röhre, auf welchem die Sonnenenergie gebündelt wird, ist bedarfsgemäß sehr heiß und ist insbesondere anfällig für abgestrahlte Wärmeverluste. Um diese Wärmeverluste zu minimieren, ist die Wärme sammelnde Röhre häufig innerhalb einer Glasröhre eingeschlossen und der Platz zwischen der inneren sammelnden Röhre und der Glasröhre wird durch ein Hochvakuum ausgefüllt. Die Aufrechterhaltung dieses Vakuums, um die Wärmeverluste zu minimieren, ist im Allgemeinen wesentlich und häufig schwierig zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Die kühlere, äußere Glasverrohrung und die hohe Temperatur der Wärme sammelnden Röhre erzeugen ungleichmäßige wärmebedingte Längenänderungsschwankungen, wodurch die äußere Verrohrung leichter zerspringen kann.
Die britische Patentanmeldung GB-A-2054827 offenbart ein Sonnenenergiesystem, das eine Fresnelsche Linse verwendet, um Sonnenenergie auf ein Röhrensystem zu bündeln, das an einen teilzylindrischen Spiegel angrenzend und konzentrisch angeordnet ist. Ein Paar ebener Spiegel erstreckt sich beiderseits des teilzylindrischen Reflektors, die zur Energiebündelung beitragen sollen. Das Röhrensystem in dieser Anordnung besitzt eine ausgedehnte Länge und, da es innere und äußere Transportröhren beinhaltet, krankt es an den bereits oben ausgeführten Nachteilen. Zusätzlich bündelt die Fresnelsche Linse die Energie direkt auf das Röhrensystem und der teilzylindrische Spiegel, der sich parallel zu dem Röhrensystem erstreckt, trägt nur wenig zur zusätzlichen Energiebündelung bei. Da weiterhin die ebenen Spiegel von dem Röhrensystem weggerichtet sind, würde deren Wirkung, die Bündelung auf das Röhrensystem zu erhöhen, minimal sein.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen oder mehrere der oben beschriebenen Nachteile zu überwinden oder wesentlich zu verbessern und die Nutzbarkeit auf dem Gebiet solcher Systeme zu verbessern.

Zusammenfassung der Erfindung

In Bezug auf die vorliegende Erfindung wird ein Sonnenstrahlungskollektor zur Verfügung gestellt, der eine primäre Bündelungsbaueinheit mit einer Hauptachse und einem Brennpunkt, eine an den Brennpunkt angrenzend angeordnete sekundäre Bündelungsbaueinheit zum Empfangen von Energie von der primären Bündelungsbaueinheit umfasst, wobei die sekundäre Bündelungsbaueinheit ein Paar voneinander beabstandeter, ebener Reflektoren aufweist, die auf entgegensetzten Seiten der Hauptachse angeordnet sind, und sekundäre Strahlungsbündler zwischen den ebenen Reflektoren hat, wobei die sekundären Strahlungsbündler Brennlinien haben, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die ebenen Reflektoren in im Wesentlichen parallelen Ebenen liegen und einander zugekehrt sind, wobei die Reflektoren im Wesentlichen parallel zu der Ebene sind, die die Hauptachse enthält, und wobei die Brennlinien der sekundären Strahlungsbündler im Wesentlichen normal zu den ebenen Reflektoren und der Hauptachse der primären Bündelungsbaueinheit verlaufen, wobei die sekundären Strahlungsbündler drehbar um die Brennlinien montiert sind.
Die ebenen Reflektoren umfassen zweckmäßigerweise längliche Reflektorbauteile, wobei die Reflektorbauteile äquidistant auf gegenüberliegenden Seiten der Hauptachse angeordnet sind.
Zweckmäßigerweise sind die ebenen Reflektoren mit einem Abstand angeordnet, um so die von der primären Bündelungsbaueinheit gebündelten Sonnenstrahlen an ihrer Brennlinie einzufangen und um zusätzliche Sonnenstrahlen einzufangen, die nicht exakt auf die Brennlinie fokussiert werden, was durch geringe Fehler in der Form der primären Reflektorbaueinheit veranlasst wird und um ebenso die Verwendung von Fresnelschen Spiegeln in der primären Bündelungsbaueinheit zu erlauben.
Zweckmäßigerweise umfassen die sekundären Strahlungsbündler Reflektoren, die um ihre Brennlinie parabolisch angeordnet sind, die sich im Wesentlichen normal zu der Hauptachse der primären Bündelungsbaueinheit erstreckt.
Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Parabolreflektoren im Wesentlichen auf gegenüberliegenden Seiten zwischen den ebenen Reflektoren. Das heißt, dass die sekundären Bündelungsreflektoren vorzugsweise eine solche Länge besitzen, dass nur ein geringer Abstand zwischen den gegenüberliegenden Enden der sekundären Parabolspiegel und der Innenoberfläche eines jeden ebenen Reflektors entsteht. Die Ebene der Hauptachsen der sekundären Parabolreflektoren ist im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ebene der Hauptachse der primären Bündelungsbaueinheit.
Die sekundären parabolischen Bündelungsreflektoren sind so angeordnet, um bezüglich ihrer eigenen jeweiligen Brennlinien drehbar zu sein. Die Brennlinie eines jeden sekundären Reflektors ist die Linie, bezüglich der die sekundären Reflektoren gedreht werden können, um es der Ebene der Hauptachse des sekundären Reflektors zu ermöglichen, stets parallel zu den Sonnenstrahlen zu sein, die von der primären Reflektoranordnung ausgesandt werden. Die gemeinsame Ebene, die die unteren Kanten der seitlichen Reflektoren aufnimmt, ist zweckmäßigerweise parallel oder im Wesentlichen parallel zu den Brennlinien der sekundären Parabolreflektoren. Vorzugsweise sind die Kanten der ebenen Reflektoren nahe der primären Bündelungsbaueinheit an oder in der Nähe des Focus der primären Bündelungseinheit.
Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Reflexionsoberflächen der sekundären Reflektoren nicht über oder wesentlich über das Latus Rektum der parabolischen Form der sekundären Reflektoren hinaus. Das heißt, dass die sekundären Reflektoren sich nicht über oder wesentlich über eine Ebene erstrecken, die durch die Brennlinie geht und sich rechtwinklig zur Hauptachse des Reflektors erstreckt.
Vorzugsweise sind die Brennlinien der sekundären Reflektoren gegenüber den naheliegenden Kanten der ebenen parallelen Reflektoren ein Stück zurückgesetzt angeordnet und folglich auch gegenüber der Brennlinie der primären Bündelungsbaueinheit ein Stück zurückversetzt, so dass, wenn die sekundären Reflektoren veranlasst werden, sich um ihre eigene individuelle Brennlinie zu drehen, an dem Punkt, an dem sich die sekundären Reflektoren über die naheliegenden Kanten der parallelen länglichen Reflektoren erstrecken, der Winkel, der durch eine Tangente an die parabolische Kurve des sekundären Reflektors und die Kante des länglichen ebenen Reflektors gebildet wird, und der der Winkel ist, der an diesem Punkt die Brennlinie des sekundären Reflektors einschließt, im Wesentlichen nicht unter einen Winkel von 90 Grad während des Einsatzes fällt.
Vorzugsweise sind eine Reihe Parabolreflektoren an der Länge nach voneinander getrennt angeordneten Positionen zwischen den ebenen Reflektoren befestigt und es werden Mittel vorgesehen, um gleichzeitig die drehbaren Positionen der Parabolreflektoren einzustellen. Hierfür können die sekundären Reflektoren und die ebenen seitlichen Reflektoren von einem Hauptrahmen getragen werden und ein Hilfsbauteil mit einer bogenförmigen Führungsbahn ist fest mit der Rückseite eines jeden sekundären Parabolspiegels fest verbunden. Die Führungsbahn ist so geformt, dass sie stets äquidistant zu der Brennlinie des sekundären Reflektors ist, indem sie bezüglich der Brennlinie zentriert ist und dass sie stets hinter der reflektierenden Oberfläche der sekundären Reflektoren angeordnet ist. An dem Hauptrahmen sind Führungen befestigt, die die parallelen Reflektoren halten, um so die Führungsbahn zu betätigen und um die sekundären Reflektoren stets zu zwingen, eine im Wesentlichen konstante Brennlinie aufrecht zu erhalten. Die sekundären Reflektoren sind vorzugsweise untereinander mit einer Verbindungsbaueinheit verbunden, die mit den Halterungen verbunden ist, deren Bewegung gleichzeitig die schwenkbare Position aller sekundären Reflektoren zwischen einem Paar der seitlichen Reflektoren einstellt, um die Hauptachse der sekundären Reflektoren mit den von der primären Reflektoranordnung reflektierten Sonnenstrahlen ausgerichtet zu halten.
Vorzugsweise umfasst die primäre Bündelungsbaueinheit eine Vielzahl länglicher reflektierender Elemente, wie z. B. dünne Spiegel, die zueinander jeweils parallel und relativ zueinander angewinkelt sind, um einen zusammengesetzten parabolischen Strahlungsbündler zu bilden, um Energie auf den Brennpunkt zu bündeln, der zweckmäßigerweise eine Brennlinie umfasst, deren Breite durch die Breite eines jeden Spiegels bestimmt wird.
Die parabolischen sekundären Reflektoren können irgend eine geeignete reflektierende Oberfläche, wie z. B. eine Spiegeloberfläche oder ein hochglänzendes Metall umfassen, und können ebenso eine Reihe von Spiegeln in Fresnelscher Konfiguration sein.
Zweckmäßigerweise erstreckt sich entlang der Brennlinie eines jeden sekundären Reflektors ein Energiesammelelement, das ein wärmeabsorbierendes Medium oder Flüssigkeit aufnimmt, wie z. B. ein Öl, das von den Strahlen, die durch die sekundären Reflektoren gebündelt werden, erhitzt wird. Vorzugsweise sind die Elemente röhrenförmige Bauteile und können für maximale Energieabsorption mit einem schwarzen äußeren Überzug umhüllt oder versehen sein. Die Elemente sind vorzugsweise mit einem gemeinsamen Verteiler verbunden, durch den das Wärme absorbierende Medium fließt.
Zweckmäßigerweise sind die röhrenförmigen Bauteile an einem Ende verschlossen und umfassen Mittel, wie z. B. mittige Teiler, die sich daran entlang erstrecken und kurz vor dem Ende enden, wodurch es der Flüssigkeit ermöglicht wird, in entgegengesetzte Richtungen auf den sich gegenüberliegenden Seiten des Teilers zu fließen. Die röhrenförmigen Bauteile können mit einem gemeinsamen Fluidstromverteiler zum Empfangen von Flüssigkeit aus ihm und zum Leiten von Flüssigkeit zu ihm verbunden sein.
Zweckmäßigerweise ist der Sonnenstrahlungsenergiebündler so gestaltet, um der Bewegung der Sonne z. B. entweder durch Drehung um eine vertikale oder um eine horizontale Achse zu folgen. Hierfür wird die Ebene der Hauptachse des primären Reflektors so bewegt, um immer die Sonne zu beinhalten. Wenn daher die Kollektorbaueinheit für eine Bewegung um eine horizontale Achse zusammengesetzt ist, wird die Baueinheit um diese Achse gedreht, um die vorgenannte Ebene in eine Position zu bringen, in der sie die Sonne aufnimmt, wenn sie sich von Ost nach West bewegt. Alternativ dazu, wenn die Baueinheit für eine Drehbewegung um eine vertikale Achse zusammengesetzt ist, wird die Anordnung gedreht, um die Sonne in der Ebene der Hauptachse der primären Reflektoren zu behalten. Bei einer alternativen Konfiguration können die reflektierenden Elemente, aus welchen der primäre Reflektor besteht, einzeln der Sonne folgen, um einen Brennpunkt an einer festen Linie in der Nähe der sekundären Bündelungsbaueinheit, die in einer festen Position bleibt, zu erhalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer Gruppe von Sonnenkollektorbaueinheiten bezüglich der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Ansicht zweier nebeneinander angeordneter Sonnenkollektorbaueinheiten;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer Vielzahl der Länge nach angeordneter Sonnenkollektorbaueinheiten;
Fig. 4 zeigt in einer Seitenansicht, bei der ein Seitenspiegel entfernt wurde, einen Teil der sekundären Reflektorbaueinheit und den dazugehörigen Verstellmechanismus;
Fig. 5 ist eine Ansicht in Richtung 1 der Fig. 4 der sekundären Reflektorbaueinheit der Fig. 4;
Fig. 6 ist eine vergrößerte Ansicht des Energiesammelelementes und der Sammelröhre, die zu der sekundären Reflektorbaueinheit gehört;
Fig. 7 ist ein Ausschnitt einer Seitenansicht, die die Abzweigung zwischen dem Energiesammelelement und seinem zugehörigen Röhrensystem und des Verteilers zeigt;
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die die generelle Anordnung einer Sonnenkollektorbaueinheit der in Fig. 2 bis 5 gezeigten Art darstellt;
Fig. 9 zeigt die Art und Weise, in der der sekundäre Reflektor die Strahlungsenergie einfängt, die von der primären Reflektorbaueinheit von der Sonne reflektiert wurde; und
Fig. 10 und 11 zeigen schematisch in Seiten- und Endansicht die sekundäre Reflektorbündelungsbaueinheit.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bezugnehmend auf die Zeichnungen und zuerst auf Fig. 1 wird eine Anordnung 10 Strahlungsenergie-, zweckmäßigerweise Sonnenenergie-bündelnde Baueinheiten 11 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die sich auf einer Plattformbaueinheit 12 befinden oder diese bilden. Die Plattformbaueinheit 12 besteht in einer Ausführungsform aus schwimmfähigem Material und ist, um schwimmen zu können, auf einem Körper aus Wasser angeordnet, der als Lagerung dient, so dass das Plattformbauteil 12 um eine vertikale Achse gedreht werden kann, um der Bewegung der Sonne zu folgen. Solch eine Anordnung ist in meiner US-Nr. 5,309,893, die am 10. Mai 1994 veröffentlicht wurde, dargestellt, deren Inhalt hiermit mit Bezug auf diese beinhaltet ist. Es werden Betätigungsmittel vorgesehen, um die Drehung der Plattformbaueinheit 12 um eine vertikale Achse zu verursachen, um der Bewegung der Sonne zu folgen, wobei die Betätigungsmittel als Antwort auf geeignete, der Sonne folgende Mittel betätigt werden. In einer alternativen Anordnung kann die Anordnung der Solarbaueinheiten 11 fixiert sein, und die Reflektoren in der Baueinheit können bewegt werden, um so der Sonne zu folgen, wie z. B. im oben genannten US-Patent Nr. 4 281 640 gezeigt ist. Natürlich kann die Anordnung 10 der Solarbaueinheiten jede beliebige Anzahl von Bündelungsbaueinheiten 11 umfassen, um den speziellen Anwendungserfordernissen der Anordnung zu genügen.
Jede Sonnenbündelungsbaueinheit 11, wie besser in den Fig. 2, 3 und 8 erkennbar ist, umfasst eine viereckige Basis 13, die in der "schwimmenden Ausführungsform" aus einem schwimmfähigen Material besteht, wie z. B. aufgeschäumter Kunststoff. Die Basis 13 ist mit einer Vielzahl geneigter ebener Oberflächen 14 versehen oder umfasst diese auf oder in seiner oberen Seite, die für längliche, streifenförmige Reflektoren 15, die darauf gelagert sind, Halterungen bilden, wobei die Oberflächen 14 unter ansteigenden Neigungen nach außen zur Horizontalen vom Mittelpunkt entlang parabolischer Kurven und auf sich gegenüberliegender Seiten der Basis 13 angeordnet sind, so dass die Reflektoren 15 einen zusammengesetzten primären Reflektor 16 bilden, der im Wesentlichen zylindrische parabolische Reflektoreigenschaften besitzt und eine Hauptachse oder Achsen 17 besitzt. Die Schnittpunkte der Lichtstrahlen von den Reflektoren 15 liegen auf der Brennlinie 18. Die Reflektoren 15 besitzen zweckmäßigerweise eine Form von Glas- oder Plastikstreifenspiegeln, wobei sie jedoch ebenso aus jedem anderen hochreflektierendem Material bestehen können. Jede Basis 13 ist mit einer angrenzenden Basis 13 mit ihren gegenüberliegenden Enden und Seiten über Verbindungselemente oder Baueinheiten 19 verbunden, die, wenn die Basen 13 auf Wasser schwimmen, einen bestimmten Betrag an Drehung oder horizontaler relativer Bewegung zwischen den Basen 13 angrenzender Baueinheiten 13 zulassen.
Die Reflektoren 15 werden angeordnet, um Sonnenenergie auf oder in Richtung sekundärer Bündelungsbaueinheiten 20 zu bündeln, die oberhalb der Basis 13 von auf gegenüberliegenden Seiten nach unten und nach außen geneigten Streben 21 unterstützt werden, die an ihren unteren Enden an der Basis 13 befestigt sind. Jede sekundäre Bündelungsbaueinheit 20 umfasst, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, einen rechtwinkligen Rahmen 22, der voneinander beabstandete, sich länglich ausdehnende obere Rahmenbauteile 23 besitzt, die sich parallel zu den Reflektoren erstrecken, und die abhängige seitliche Rahmenbauteile 24 tragen, die durch oberhalb quer verlaufende Rahmenbauteile 25 voneinander getrennt sind. Die Rahmenbauteile des Rahmens 22 sind vorteilhafterweise aus einem leichtem Material, wie z. B. Aluminium konstruiert und werden zusammengeschweißt, um den zusammengesetzten Rahmen 22 zu bilden. An den seitlichen Rahmenbauteilen 24 sind ein Paar sich getrennt voneinander gegenüberliegender ebener Reflektoren 26 angebracht, deren reflektierende Oberflächen einander zugewandt und sich paralle 1 zueinander erstrecken, um äquidistant zu und beiderseits der Hauptachse 17 oder der die Hauptachsen des primären Reflektors 16 enthaltenden Ebene angeordnet zu sein. Die Reflektoren 26 sind so platziert, dass ihre untersten Kanten 27, welches die Kanten sind, die in der Nähe der primären Reflektoren 16 sind, im Wesentlichen an oder zusammen mit der Brennlinie 18 des primären Reflektors 16 verlaufen. Die Kanten 27, die geradlinig sind, erstrecken sich parallel zueinander und liegen in einer gemeinsamen Ebene.
Zwischen den ebenen Reflektoren 26 sind eine Reihe sekundärer bündelnder zylindrischer Parabolreflektoren angeordnet, deren Brennlinien 29 sich im Wesentlichen normal zu den ebenen Reflektoren 26 und der Hauptachse 17 des primären Reflektors 16 erstrecken. Das Latus Rectum der Parabel, das durch den Parabolreflektor 28 definiert wird, wird durch die Linie II gekennzeichnet. Diese Linie geht durch die Brennlinie 29 des Reflektors 28, wie in Fig. 4 dargestellt, und erstreckt sich unter rechten Winkeln zur Hauptachse des Reflektors 28. Die Reflektoren 28 sind so gestaltet, dass sie sich nicht über oder wesentlich über das Latus Rectum II erstrecken. Ein Reflektor 28 dieser Form ermöglicht optimale Bündelung in Verbindung mit minimalen Mehrfachreflexionen von den ebenen Reflektoren 26. Die die Kanten 27 der Reflektoren 26 aufnehmende Ebene ist parallel zu den Brennlinien 29 der Parabolreflektoren 28.
Die Reflektoren 28 werden für eine begrenzte Drehung um eine Drehachse, die sich entlang der Brennlinien 29 erstreckt, unterstützt. Hierfür, und wie deutlicher in den Fig. 4 und 5 gezeigt wird, weisen die Reflektoren 28 auf der Rückseite eine sichelförmige Platte 30 auf, die der Quere nach mittig zu den Reflektoren 28 angeordnet und mit Klebstoff oder irgendwelchen anderen geeigneten Befestigungsmitteln an deren Rückseiten befestigt ist. Die Platte 30 weist einen bogenförmigen Schlitz 31 auf, der bezüglich der Brennlinie 9, und somit der erforderlichen Drehachse des Reflektors 28 zentriert ist. Zwei Paare getrennt voneinander angeordneter Kammern 32 und 33 sind an den gegenüberliegenden Rahmenbauteilen 23 befestigt und weisen jeweils zwischenliegende Achsen 34 und 35 auf, die in dieser Ausführungsform als Bolzen ausgeführt sind. Die Achsen 34 und 35 erstrecken sich durch den Schlitz 31 und nehmen zentrierende Laufrollen 36 auf, die mit den gegenüberliegenden Kanten des Schlitzes 31 in Wechselwirkung treten. Die Platte 30 wird somit an zwei getrennt voneinander beabstandeten Stellen für eine Drehbewegung um die Brennlinie 29 unterstützt, wodurch der Parabolreflektor 28 in gleicher Weise unterstützt wird.
Die Einstellung der drehbaren Position des Reflektors 28 wird mit Mitteln eines gemeinsamen Stellwerkes 37 erreicht, das zwischen dem Rahmenbauteil 23 angeordnet ist und sich dazu der Länge nach und durch ausgefluchtete Führungsöffnungen in den mit Zwischenräumen versehenen Querrahmenbauteilen 25 erstreckt. Das Stellwerk 37 trägt und ist mit einer Reihe von Schlaufen 38 verbunden, die an jeden Parabolreflektor 28 angrenzen. Ein Paar Einstellglieder 39 ist drehbar mit jeder Schlaufe 38 und der Platte 30 mittels Gelenkzapfen 40 und 41 an davon sich gegenüberliegenden Enden verbunden. Somit wird die Längsbewegung des Stellwerkes 37 in entgegengesetzte Richtungen eine entgegengesetzte Längsbewegung der Schlaufen 38 verursachen, die über die Glieder 39 in entgegengesetzte Drehbewegung um die Brennlinie 29 jeder einzelnen Platte 30 und somit jedes einzelnen Reflektors 28 übertragen wird.
Entlang der Brennlinie eines jeden Reflektors erstreckt sich ein Energiesammelelement 42 in Form einer röhrenförmigen Leitung, die sich durch eine Öffnung in einem der seitlichen Reflektoren 26, wie bei 43, erstreckt und die über ein Verbindungsrohr 44 mit einer Verteilerbaueinheit 45 verbunden ist, die sich der Länge nach bezüglich des Rahmens 22 erstreckt. Das Element 42, wie deutlicher in Fig. 6 gezeigt wird, ist an einem Ende 46 verschlossen und ist mit einem mittigen, sich diametral erstreckenden Teiler 47 versehen, der sich entlang dem Element 42 erstreckt, jedoch kurz vor dem verschlossenen Ende 46 endet. Der Teiler 47 erstreckt sich ebenfalls über die gesamte Länge des Verbindungsrohres 44 bis zu dem dazu gegenüberliegenden Ende 48. Das Ende 48 des Rohres 44 erstreckt sich ein Stück weit in den Verteiler 45. Das Element 42 und das Rohr 44, die einstückig ausgeführt werden können, besitzen im Allgemeinen eine U-förmige Gestalt. Das Ende 48 besitzt auf sich gegenüberliegenden Seiten des Teilers 47 Einlass- und Auslassöffnungen 49 und 50, die auf gegenüberliegenden Seiten des Sammelrohres 45 bezüglich der Fließrichtung eines darin befindlichen Energietransportmediums geöffnet sind. Somit wird das Medium, wenn es durch die Verteilerbaueinheit 45 fließt, in die Einlassöffnung 49 auf einer Seite des Rohres 44 eintreten, um in das Element 42 zu gelangen, die Richtung am Ende 46 des Elements 42 ändern und nach außen entlang der anderen Seite des Teilers 47 durch das Verbindungsrohr 44 und aus dem Auslass 50 in die Verteilerbaueinheit 45 fließen. Das Energietransportmedium besteht zweckmäßigerweise aus Öl oder einer anderen Flüssigkeit, so dass Wärmeenergie gesammelt und von der Verteilerbaueinheit 45 zu einem geeigneten Speicher oder Verbraucher transportiert werden kann.
Im Folgenden wird nun die Funktionsweise der Sonnenkollektorbaueinheit 11 der Erfindung mit Bezug auf die Fig. 2, 3, 4 und 6 bis 11 beschrieben. Während des Tages bewegt sich die Sonne auf einer Bahn von Ost nach West mit ansteigender Höhe vom Sonnenaufgang am Horizont bis Mittag und abnehmender Höhe von Mittag bis zum Sonnenuntergang. Der Höhenwinkel variiert ebenso in Abhängigkeit der Jahreszeit. Daher ist im Sommer der maximale Höhenwinkel mittags im Wesentlichen größer als der entsprechende Höhenwinkel im Winter. Die Anordnung der Solarbaueinheiten 11 ist so gestaltet, dass die Ebenen, die die Hauptachsen 17 des Reflektors aufnehmen, die Sonne, wie in Fig. 2 mit S dargestellt, aufnehmen und diese Beziehung mit der Sonne beibehalten, indem sie sich drehen, wenn sich die Sonne von Sonnenaufgang bis zum Sonnenuntergang bewegt. Solch eine Anordnung ist in meinem vorher genannten US-Patent Nr. 5,309,893 beschrieben. Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf den Reflektoren 15 variiert in Abhängigkeit der Tageszeit und der Jahreszeit. Somit treffen die einfallenden Sonnenstrahlen, die mit 51 gekennzeichnet sind, auf die primären Reflektoren 15 auf und werden in Richtung der sekundären Bündelungsbaueinheit 20 reflektiert, wie unter 52 gekennzeichnet. Das Stellwerk 37 wird der Länge nach bewegt, um die Drehposition der Parabolreflektoren 28 einzustellen, so dass deren Hauptachsen im Wesentlichen parallel zu den von den primären Reflektoren 15 reflektierten Strahlen 49 sind. Die Sonnenstrahlen, die den Zentralbereich der Reflektorbaueinheit 16 treffen, werden direkt zu den Parabolreflektoren 28 reflektiert, wo sie auf das Element 42 gebündelt werden, wie aus Fig. 3 und 4 hervorgeht. Die Sonnenstrahlen, die die Reflektorbaueinheit 16 außerhalb des Zentrums der Baueinheit 16 treffen, werden wegen der parabolischen Anordnung der Reflektorbaueinheit 16 nach innen in Richtung der sekundären Bündelungsbaueinheit 20 gesendet werden, wobei sich die Strahlen an der Brennlinie 18 kreuzen. Einige Strahlen werden, wie in Fig. 9 und 11 dargestellt und mit 53 gekennzeichnet sind, den Parabolreflektor 28 treffen und auf den seitlichen Reflektor 26 fallen und auf das Element 42 gebündelt. Andere Strahlen werden die gegenüberliegende Seite des Reflektors 26 treffen, um auf den Parabolreflektor 28 reflektiert zu werden, der die Strahlen auf das Element 42 bündelt. Andere Strahlen können von den sich gegenüberliegenden Reflektoren 26 reflektiert werden, bevor sie von dem Parabolreflektor 28 auf das Element 42 gebündelt werden. Somit werden im Wesentlichen alle der reflektierten Strahlen 52 und 53 zwischen den ebenen Reflektoren 26 gefangen und zu den Parabolreflektoren 28 geleitet, um so auf das Element 42 gebündelt zu werden.
Wie in Fig. 10 dargestellt, bildet die mit III bezeichnete Tangente an dem Parabolreflektor 28 am Schnittpunkt mit der unteren Kante 27 des ebenen Spiegels 26 einen Winkel Θ mit dieser unteren Kante, wobei dieser Winkel Θ die Brennlinie 29 des sekundären Reflektors 28 beinhaltet. Um einen maximalen Wirkungsgrad beim Sammeln reflektierter Energie zu erreichen, sollte dieser Winkel nicht unter 90 Grad fallen. In der in Fig. 10 dargestellten Anordnung ist der Winkel Θ etwas größer als 90 Grad. Wenn der Reflektor 28 im Uhrzeigersinn in Richtung der in Fig. 10 gestrichelten Position bewegt wird, nähert sich der Winkel Θ 90 Grad. Wenn jedoch dieser Winkel 90 Grad, wie in Fig. 10 dargestellt, oder weniger als 90 Grad ist, bewegt sich die untere Kante des Reflektors 28 über die untere Kante 27 des Reflektors 26. Wenn die Anordnung des Reflektors 28 bezüglich der seitlichen Reflektoren 26 so ist, dass der Winkel Θ in der Position, wie in Position 10, geringer als 90 Grad ist, werden die reflektierten Strahlen 49, die den Parabolspiegel 28 unterhalb der Kante 27 treffen, an den seitlichen Spiegeln 26 vorbeireflektiert und somit nicht auf das Element 42 gebündelt werden.
Wie vorher beschrieben beinhaltet das Element 42 ein Energietransportmedium, wie z. B. ein Öl, das von den auf das Element 42 gebündelten Strahlen erhitzt wird. Wie bereits beschrieben, wird das Energietransportmedium durch die Verteilerbaueinheit 45 bewegt, was mit Mitteln wie z. B. einer Pumpe erreicht wird. Zumindest ein Abschnitt dieses Flusses tritt, durch den Einlass 49, um das Element 42 zu passieren, in die Föhre 44 auf einer Seite des Teilers 47 ein, um zu der Verteilerbaueinheit 45 auf der gegenüberliegenden Seite des Teilers 47 aus dem Auslass 50 zurückzufließen. Während seiner Bewegung entlang des Elementes 42 auf sich gegenüberliegenden Seiten des Teilers 47 wird das Öl erhitzt und bewegt sich somit als erhitztes Öl zurück zu der Verteilerbaueinheit 45. Das Öl kann somit befördert werden, um in nutzbare Energie umgewandelt zu werden, wie z. B. für die Erzeugung von Dampf, um eine Turbine anzutreiben. Solche Anordnungen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein System dar, mit welchem Strahlungsenergie von der Sonne gesammelt und in einer hocheffizienten Weise für die Energiegewinnung gebündelt wird. Die ebenen seitlichen Spiegel oder Reflektoren 26 stellen sicher, dass ein Maximum an Energie von der Sonne einfangen und anschließend auf das Element 42 gebündelt wird, um in nutzbare Energie umgewandelt zu werden. Die sekundäre Bündelungsbaueinheit, die in der Anmeldung verwendet, dargestellt und beschrieben wird, kann natürlich von einer anderen primären Reflektorbaueinheit versorgt werden.
Zusätzlich können viele Variationen an der Gestaltung des System gemacht werden, ohne das erfinderische Konzept zu verlassen. Somit können die Parabolreflektoren 28 für eine Drehung um Ihre Brennlinien in irgend einer Weise unterstützt werden und jeder kann im Bedarfsfalle einzeln eingestellt werden. Der primäre Reflektor 16 kann natürlich die Form einer parabolischen Wanne oder eine ähnliche Formgebung aufweisen. Während die bevorzugte Art der Gewinnung von gebündelter Energie durch ein flüssiges Medium, das in dem Element 42 fließt, erfolgt, kann das Element 42 durch ein alternatives Ziel ersetzt werden, das gebündelte Strahlungsenergie empfangen und/oder die empfangene Energie in geeigneter Weise für anschließende Benutzung umwandeln kann.

Claims

1. Sonnenstrahlungsenergiebündler (11), umfassend

eine primäre Bündelungsbaueinheit (16) mit einer Hauptachse (17) und einem Brennpunkt (18),

eine an den Brennpunkt (18) angrenzend angeordnete sekundäre Bündelungsbaueinheit (20) zum Empfangen von Energie aus der primären Bündelungsbaueinheit (16), wobei die sekundäre Bündelungsbaueinheit (20) ein Paar voneinander beabstandeter ebener Reflektoren (26) aufweist, die auf entgegengesetzten Seiten der Hauptachse (17) angeordnet sind, und sekundäre Strahlungsbündler (28) zwischen den ebenen Reflektoren (26) hat, wobei die sekundären Strahlungsbündler Brennlinien (29) haben, und dadurch gekennzeichnet ist, dass

die ebenen Reflektoren (26) in im Wesentlichen parallelen Ebenen liegen und einander zugewandt sind, wobei die Reflektoren (26) im Wesentlichen parallel zu der Ebene sind, die die Hauptachse (17) enthält, und wobei

die Brennlinien (29) der sekundären Strahlungsbündler (28) im Wesentlichen normal zu den Ebenen der Reflektoren (26) und der Hauptachse (17) der primären Bündelungsbaueinheit (16) verlaufen, wobei die sekundären Strahlungsbündler (28) drehbar um die Brennlinien (29) montiert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenen Reflektoren (26) Reflektorenelemente umfassen, die äquidistant auf entgegengesetzten Seiten der Hauptachse (17) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die sekundären Strahlungsbündler Parabolreflektoren (28) umfassen, wobei die Reflektoren (28) auf entgegengesetzten Seiten im Wesentlichen zu den ebenen Reflektoren (26) verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Parabolreflektor (28) sich nicht Wesentlich über sein Latus Rektum hinaus erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (27) der ebenen Reflektoren (26) nahe der primären Bündelungsbaueinheit (16) an dem Brennpunkt (18) der primären Bündelungsbaueinheit (16) sind oder an ihn angrenzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Bündelungsbaueinheit (16) eine Vielzahl länglichere reflektierender Elemente 15 hat, die im Verhältnis zueinander angewinkelt sind, um einen zusammengesetzten parabolischen Strahlungsbündler zum Bündeln von Energie auf den Brennpunkt (18) zu bilden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Strahlungsbündler (16) Fresnelsche Spiegel umfassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel entlang der Brennlinie (29) der sekundären Reflektoren (28) zum Empfangen von durch die sekundären Reflektoren (28) gebündelter Sonnenenergie.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenenergie empfangenden Mittel röhrenförmige Elemente (42) aufweisen, die geeignet sind, eine energieabsorbierende Flüssigkeit aufzunehmen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die röhrenförmigen Elemente (42) an einem Ende (46) geschlossen sind und sich daran entlang erstreckende und kurz vor dem Ende (46) endende Mittel (47) haben, so dass die Flüssigkeit in den röhrenförmigen Elementen (42) in entgegengesetzten Richtungen fließen kann.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die röhrenförmigen Elemente (42) mit einem gemeinsamen Fluidstromverteiler (45) zum Empfangen von Flüssigkeit aus ihm und zum Leiten von Flüssigkeit zu ihm verbunden sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Parabolreflektoren (28) an voneinander beabstandeten Längspositionen zwischen den ebenen Reflektoren (26) montiert sind, und die ferner Mittel zum gleichzeitigen Einstellen der Drehpositionen der Parabolreflektoren (28) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der ebenen Reflektoren (26) einen unteren Rand (27) hat, und bei der die Tangente jedes Parabolreflektors (28) am Schnittpunkt zwischen dem Reflektor (28) und dem unteren Rand (27) einen die Brennlinie (29) des Reflektors (28) enthaltenden Winkel mit dem unteren Rand bildet, der nicht wesentlich unter 90 Grad fällt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Bündelungsbaueinheit (16) einen länglichen Parabolreflektor umfasst, der von einer Mehrzahl von weitgehend parallelen, länglichen reflektierenden Oberflächen (15) definiert wird.