DE2907128C2

DE2907128C2 -

Info

Publication number: DE2907128C2
Application number: DE2907128A
Authority: DE
Inventors: Roger H. Appeldorn; Dennis F. St. Paul Minn. Us Vanderwerf
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1978-02-22
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1990-02-22
Also published as: FR2418475B1; JPS54123962A; DE2907128A1; IT7948070A0; JPH0160801B2; ZA787030B; DE7905131U1; IL56714A; IT1114985B; BR7900917A; IL56714A0; CA1123292A; GB2015188B; AU526479B2; ES477844A1; FR2418475A1; SU1138055A3; AU4445779A; GB2015188A

Description

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor zum Konzentrieren und Richten einfallender Sonnenstrahlung auf einen entlang einer Brennlinie angeordneten Absorber, mit einer glatten, ebenen Grundfläche, die unter einem Winkel Φ zur Normalen auf der einfallenden Strahlung geneigt ist, und mit einer Fläche, die von einer gestaffelten Gruppenanordnung ebener, durch Stufensprünge voneinander getrennten Reflektoren gebildet ist, wobei die einzelnen Reflektoren unterschiedliche Winkel gegenüber der Horizontalen aufweisen.

Lineare Fresnel- oder Stufenreflektoren werden zunehmend für das Konzentrieren von Sonnenenergie eingesetzt, da diese optische Oberflächen sich sehr genau massenproduzieren lassen. Herkömmliche Sonnenkollektoren, die mit solchen Reflektoren arbeiten, weisen eine große Apertur auf, da sie so viel Sonnenstrahlung wie möglich auffangen sollen. Wenn jedoch die Apertur eines Sonnenkollektors, der eine Fläche aufweist, die von einer gestaffelten Gruppenanordnung ebener, durch Stufensprünge voneinander getrennter Reflektoren gebildet ist, relativ zur Brennlänge des Sonnenkollektors groß wird, verliert der einzelne Reflektor an Wirkungsgrad infolge einer partiellen Abschattung der zur Brennlinie gerichteten Strahlung durch die Stufensprünge. Folglich wird ein Teil der auf die einzelnen Reflektoren einfallenden Strahlung nicht auf die Brennlinie gerichtet, und es muß eine unerwünschte Verringerung des optischen Wirkungsgrads in Kauf genommen werden.

Dieses Problem wird deutlich bei einem bekannten Sonnenkollektor der eingangs erwähnten Art (US 36 13 659), bei dem auf die einzelnen ebenen Reflektoren, die unterschiedliche Winkel gegenüber der Horizontalen aufweisen, einfallende Lichtstrahlen auf den entlang einer Brennlinie angeordneten Absorber gerichtet werden. Bei diesem bekannten Sonnenkollektor werden jedoch Teile der von den einzelnen Reflektoren reflektierten Strahlung von den Stufensprüngen abgefangen, so daß nicht alle auf die gestaffelte Gruppenanordnung der ebenen, nicht die Stufensprünge voneinander getrennte Reflektoren einfallende Strahlung zum Absorber gelangt.

Bekannt ist auch aus der DE-PS 2 63 950, den Absorber eines Sonnenkollektors in der Brennlinie einer Reihe von Spiegeln anzuordnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß die Reduzierung jeglicher Abschattung der einfallenden oder reflektierten Sonnenstrahlung vor dem Auftreffen auf die Brennlinie erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder der einzelnen ebenen Reflektoren zur Grundfläche unter einem Winkel α′ geneigt ist, dessen Größe kleiner oder gleich Null, aber größer als oder gleich dem negativen Winkel -Φ ist, wodurch keine Abschattung der einfallenden oder reflektierten Strahlung durch die Stufensprünge erfolgt.

Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor erweist sich insbesondere dadurch so vorteilhaft, daß aufgrund der gewählten Winkelverhältnisse sichergestellt ist, daß die gesamte auf den Reflektor eingestrahlte Sonnenenergie auf den Absorber reflektiert wird, da die Summe der einzelnen Reflektorflächen wegen ihrer teilweisen Überdeckung in Richtung Sonnenachse größer ist als die Gesamtreflektoroberfläche.

Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor kann in Form einer mit einer herkömmlichen Tragplatte kombinierten dünnen Polymerisatfolie ausgebildet sein, die eine glatte, ebene Grundfläche, die unter einem Winkel Φ zur Normalen auf der einfallenden Strahlung geneigt ist, und eine Fläche aufweist, die von der gestaffelten Gruppenanordnung ebener, durch Stufensprünge voneinander getrennter Reflektoren gebildet ist, die jeweils unter einem vorbestimmten Winkel α′ zur ebenen Grundfläche der Folie geneigt sind. Die Polymerisatfolie ist auf der Tragplatte aufgeklebt. Die Stufensprünge sind vertikal zur ebenen Grundfläche gerichtet.

Zur Verdeutlichung der geometrischen Zusammenhänge zwischen den Neigungswinkeln α′ der einzelnen Reflektoren zur Grundfläche und dem minimalen Neigungswinkel Φ der Grundfläche zur Normalen auf die einfallende Strahlung werden zwei rechtwinklige Koordinatensysteme XY und X′Y′ eingeführt. Im XY- Koordinatensystem liegt die X-Achse rechtwinklig zur einfallenden Sonnenstrahlung, die Y-Achse vertikal, parallel zur einfallenden Strahlung. Im X′Y′-Koordinatensystem liegt die X′-Achse entlang der ebenen Grundfläche und die Y′-Achse rechtwinklig zu dieser. Die Grundfläche wird so gedreht, daß die Neigung des einzelnen ebenen Reflektors im X′Y′- Koordinatensystem negativ und bezüglich des XY-Koordinatensystems positiv ist. Diese Änderung der Neigung bringt die Stufensprünge aus dem Weg der einfallenden und der reflektierten Strahlung, so daß die Abschattung entfällt. Jeder Reflektor hat eine negative Neigung bezüglich des X′Y′-Systems und ist daher als negativer Winkel in diesem Koordiantensystem definiert. Diese geometrische Bedingung, die den minimalen Neigungswinkel Φ festlegt, der erforderlich ist, um die Abschattung durch die Reflektorstufen zu erreichen, erfordert, daß der Winkel α′ kleiner als oder gleich Null und größer als oder gleich dem negativen Winkel -Φ ist.

Ein Paar der beschriebenen Sonnenkollektoren kann zu einer V-Struktur zusammengesetzt werden, in der die Sonnenkollektoren symmetrisch um die Winkelhalbierende des Scheitelwinkels der V-Struktur liegen. Bei dieser Ausführungsform fokussiert jeder Reflektor einfallende Sonnenstrahlung auf eine Brennlinie, die auf dieser Winkelhalbierenden des Scheitelwinkels der V-Struktur liegt. Die Platten der Sonnenkollektoren können in dieser V-Struktur durch einen starren Lagerrahmen gestützt werden. Es kann auch eine Vielzahl unmittelbar aneinandergrenzender Platten eingesetzt werden, die jeweils unter unterschiedlichen minimalen Neigungswinkeln Φ geneigt sind.

Für eine genaue Fokussierung ist es erforderlich, daß jeder Winkel α′ bezüglich der Brennlinie genau eingestellt wird. Ein Fehler von Δα′ des Winkels α′ ergibt eine Strahlabweichung d. Mit ΔR=2Δα′ erhält man also d=D ΔR. Die Winkelfehler Δα′ können sich aus Ungenauigkeiten des die Polymerisatfolie prägenden Mutterstempels, aus Unebenheiten der Platte und aus Fehlern bei der Plattenausrichtung ergeben. In guter Näherung ist die Abweichung des Strahls im rechten Winkel zum Strahl nahe der Brennlinie d=D ΔR, wobei D die Entfernung vom Reflektor zum Absorber ist. Es ergibt sich eine Defokussierung nahe des Absorbers. Das Ausmaß der Dekofokussierung hängt von der Entfernung der Brennlinie zum jeweiligen Reflektor ab. Beim erfindungsgemäßen Sonnenkollektor ist in vorteilhafter Weise auch die mittlere Entfernungsänderung jedes Reflektors von der Brennlinie reduziert, so daß bezüglich der einfallenden Strahlung eine bessere Fokussiereinstellung möglich wird.

Ist die gestaffelte Gruppenanordnung der ebenen, durch Stufensprünge voneinander getrennten Reflektoren des Sonnenkollektors unmittelbar der einfallenden Strahlung ausgesetzt, so erfordert die geometrische Bedingung, die eine Abschattung durch die Stufensprünge durch eine Neigungsumkehr der ebenen Reflektoren verhindert, daß Φ α0 oder -Φ α′0 mit α′=α-Φ ist.

Befindet sich die gestaffelte Gruppenanordnung der ebenen, durch Stufensprünge voneinander getrennten Reflektoren auf der der einfallenden Strahlung abgewandten Seite der Polymerisatfolie, so erfordert die geometrische Bedingung, die die Abschattung durch die Stufensprünge mit einer Neigungsumkehr eliminiert, daß Φ a0 oder -Φ α′0 mit α′=α-Φ ist. Die Tatsache, daß α immer größer als 0 ist, ergibt sich aus der Brechung an der transparenten Oberfläche dieser Ausführungsform des Sonnenkollektors, die gegen Witterungseinflüsse geschützt ist.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors werden nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind

Fig. 1 ein schematisierter Aufriß des Sonnenkollektors, wobei das Koordinatensystem definiert ist, das zur Beschreibung der Geometrie des Sonnenkollektors dient,

Fig. 2 ein schematisierter Aufriß des Sonnenkollektors, wobei die Kontrolle des Fokussierfehlers des Sonnenkollektors verdeutlicht wird,

Fig. 3 ein schematisierter Aufriß einer Ausführungsform des Sonnenkollektors, bei der die einzelnen ebenen Reflektoren der einfallenden Strahlung unmittelbar ausgesetzt sind,

Fig. 4 ein schematisierter Aufriß einer anderen Ausführungsform des Sonnenkollektors, bei der die einzelnen ebenen Reflektoren auf der der einfallenden Strahlung abgewandten Seite eines transparenten Plattenaufbaus vorgesehen sind,

Fig. 5 ein schematisierter Aufriß einer weiteren Ausführungsform des Sonnenkollektors mit einer geeigneten Lagerung für diesen,

Fig. 6 ein schematisierter Aufriß eines speziellen Beispiels des Sonnenkollektors, in dem die geometrischen Parameter zur Darstellung des Kollektorwirkungsgrades definiert sind, und

Fig. 7 eine graphische Darstellung der effektiven Apertur und Plattenlänge als Funktion des halben Aufnahmewinkels.

Bei der Ausführungsform des Sonnenkollektors gemäß Fig. 1 weist dieser eine Fläche auf, die von einer gestaffelten Gruppenanordnung ebener, durch Stufensprünge voneinander getrennter Reflektoren 21 gebildet ist. Jeder der einzelnen ebenen Reflektoren 21 der gestaffelten Gruppenanordnung des Sonnenkollektors ist unter einem Winkel α′ zu einer ebenen, glatten Grundfläche 20 geneigt, die unter einem Winkel Φ zur Normalen auf der einfallenden Strahlung geneigt ist. Der Winkel α′ ist dem Winkel Φ zugewandt, der zwischen der Grundfläche 20 und der X-Achse liegt, die rechtwinklig zur einfallenden Sonnenstrahlung verläuft. Zur Definition der Neigung der ebenen Reflektoren 21 werden zwei Koordinatensysteme XY und X′Y′ eingeführt. Im XY-System hat jeder ebene Reflektor 21 eine positive Neigung. Wird die Neigung des ebenen Reflektors 21 im X′Y′-Koordinatensystem gesehen, so kehrt sich diese bezüglich des XY-Koordinatensystems um. Dadurch kann jeder einfallende Lichtstrahl, der auf den ebenen Reflektor 21 trifft, ohne Abschattung durch die Stufensprünge auf eine Brennlinie gerichtet werden. Für eine gegebene Auffangapertur A ist der minimale Winkel Φ derjenige Neigungswinkel, der für alle ebenen Reflektoren 21 im XY-System eine positive Steigung ergibt, während einfallendes Licht von jedem ebenen Reflektor 21 auf einen auf der Brennlinie angeordneten Absorber 23 gerichtet wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt, werden die einfallenden Sonnenstrahlen 24, 25, 26 immer zum Absorber 23 reflektiert, und die die Reflektoren 21 trennenden Stufensprünge schatten die einfallende oder reflektierte Sonnenstrahlung nie ab.

Aus Fig. 2 geht die Möglichkeit einer verbesserten Fokussiersteuerung des Sonnenkollektors hervor, wobei die den ebenen Reflektoren 31, 32, 33, 34 jeweils entsprechenden Winkel α′₃₁ bzw. α′₃₂ bzw. α′₃₃ bzw. α′₃₄ so gewählt sind, daß einfallende Sonnenstrahlung auf einen entlang der Brennlinie angeordneten Absorber 39 fokussiert wird, wenn die ebene Grundfläche unter dem minimalen Winkel Φ geneigt ist. Abweichungen Δα′ jedes Neigungswinkels α′ der einzelnen ebenen Reflektoren 31, 32, 33, 34 zur Grundfläche 20, die von einer Platte gebildet sein kann, können durch Ungenauigkeiten bei der Herstellung des Mutterstempels, durch Unebenheiten der Platte sowie durch Ausrichtfehler der Platte hervorgerufen werden. Diese Abweichungen bewirken, daß ein Strahl um ΔR von der Brennlinie fehlgerichtet wird. Das Ausmaß dieser Defokussierung läßt sich in guter Näherung zu d=D ΔR angeben, wobei D die Entfernung zwischen dem Reflektor 33 und dem Absorber 39 auf der Brennlinie ist.

Der geneigte Sonnenkollektor minimiert die mittlere Variation der Entfernungen D von jedem der ebenen Reflektoren zum Absorber 39 über die Apertur der gestaffelten Gruppenanordnung des Sonnenkollektors. Die entfokussierende Variation über die Apertur der geneigten gestaffelten Gruppenanordnung der ebenen, durch Stufensprünge voneinander getrennten Reflektoren des Sonnenkollektors fällt verhältnismäßig wenig ins Gewicht, und eine mögliche Aufspreizung der Brennlinie kann unter Kontrolle gehalten werden, was sich günstig auswirkt, wenn der Wirkungsgrad eines linienförmigen Absorbers 39 in der Brennlinie stark vom aufgenommenen Energiefluß abhängt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des Sonnenkollektors, bei der die einzelnen ebenen Reflektoren 40 ebenfalls unmittelbar der einfallenden Strahlung ausgesetzt sind, sind die ebenen Reflektoren 40 in eine Polymerisatfolie 41 eingeformt, die mit einem Kleber 42 auf eine flache Platte 43 aufgeklebt ist. Ein geeigneter reflektierender Belag 44 ist auf die ebenen Reflektoren 40 aufgebracht. Die Grundfläche des Sonnenkollektors ist unter dem Winkel Φ zur Normalen auf der einfallenden Sonnenstrahlung geneigt.

Bei der aus Fig. 4 hervorgehenden Ausführungsform des Sonnenkollektors sind die einzelnen ebenen Reflektoren 50 auf der Unterseite einer transparenten Polymerisatfolie 51 ausgebildet und tragen einen geeigneten reflektierenden Belag 52. Dieser reflektierende plattenartige Aufbau 53 ist mit geeigneten Mitteln 54 auf einer flachen Tragplatte 55 befestigt. Diese Ausführungsform des Sonnenkollektors erweist sich insbesondere dadurch als vorteilhaft, daß der auf den einzelnen ebenen Reflektoren 50 befindliche reflektierende Belag 52 vor der Umwelt geschützt und letzterer nur eine glatte ebene Fläche 57 des plattenartigen Aufbaus 53 ausgesetzt ist, die mit einem geeigneten verschleißfesten oder reflexionsunterdrückenden Belag versehen sein kann.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sonnenkollektors mit einer geeigneten Lagerung für gestaffelte Gruppenanordnungen ebener, durch Stufensprünge voneinander getrennter Reflektoren, die jeweils in Platten 61 und 62 ausgebildet und der einfallenden Sonnenstrahlung direkt ausgesetzt sind. Eine starre Tragvorrichtung 60 hält die Platten 61 und 62 und richtet diese in bezug auf einen linienförmigen Absorber 63 aus. Es ist auch möglich, die entsprechende Halterung mit Sonnenkollektoren in der Ausführung nach Fig. 4 zu kombinieren.

Fig. 6 gibt einen schematisierten Aufriß eines speziellen Beispiels eines Sonnenkollektors der in Fig. 3 gezeigten Art wieder, wobei die geometrischen Parameter zur Darstellung des Kollektorwiderstandes definiert sind. Der die Sonnenenergie aufnehmende Absorber liegt in der Brennlinie des Sonnenkollektors in einer Entfernung FD vom Scheitel der Plattenanordnung entfernt. Der Absorber kann z. B. eine Photozelle oder ein Wärme aufnehmendes Rohr sein. Der halbe Aufnahmewinkel γ am Absorber wird vom Konstrukteur abhängig von der Art des Absorbers gewählt, auf das der Konstrukteur die einfallende Sonnenenergie bündeln will. Wenn der halbe Aufnahmewinkel q bestimmt ist, läßt sich der minimale Winkel Φ des Sonnenkollektors, unter dem dessen Grundfläche zur Normalen der einfallenden Strahlung geneigt ist und der eine Abschattung durch die Stufensprünge ausschließt, aus der Beziehung Φ=γ/2 bestimmen. Die erforderliche Plattenlänge PL kann dann aus der Beziehung PL=FD · sin γ cos Φ errechnet werden. Die effektive Apertur des gesamten Sonnenkollektors wird EA=PL · cos Φ. Im speziellen Fall war FD=1219 mm, Φ=30°, a=60° und EA=1056 mm. Die nachfolgende Tabelle gibt repräsentative Werte von X′, α′ und α an, wobei α der Winkel der ebenen Reflektoren im XY-System und X′ der Ort jedes ebenen Reflektors entlang der Platte ist.

Eine flache Platte (Φ=0°) der gleichen äquivalenten Apertur und Brennweite hat infolge der Abschattung durch die Stufensprünge einen berechneten Verlust von 9,2% (quadratischer Mittelwert über die gestaffelte Gruppenanordnung). Die Ausführungsform des Sonnenkollektors, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 6 diskutiert ist, erweist sich daher etwa 9% wirkungsvoller als die flache Platte, für die Φ=0° ist.

Fig. 7 zeigt im Diagramm die Wirkung des halben Aufnahmewinkels auf die Plattenlänge und die wirksame Apertur des Sonnenkollektors mit einer Brennweite FD von 1219 mm. Obgleich aus dem Diagramm ersichtlich ist, daß halbe Aufnahmewinkel zwischen 0° und 180° ohne Abschattung theoretisch möglich sind, fällt die effektive Apertur des Sonnenkollektors nach diesen Werten fast auf Null ab. Der in der Wertetabelle und in Fig. 6 dargestellte spezielle Fall ist im Diagramm markiert. Es ist aus dem Diagramm zu ersehen, daß, je größer der halbe Aufnahmewinkel ist, desto größer die erforderliche Plattenlänge wird, um eine gegebene effektive Apertur zu erreichen. Ein halber Aufnahmewinkel von 90° ist jedoch praktisch erreichbar, was mit einem herkömmlichen Sonnenkollektor nicht möglich wäre.

Um größere effektive Aperturen oder Aufnahmewinkel zu erreichen, können mehrere aneinandergrenzende Sonnenkollektoren vorgesehen werden, wobei eine Abschattung durch die Stufensprünge der Sonnenkollektoren vermieden wird und eine individuelle Einstellung der Neigungswinkel der einzelnen Sonnenkollektoren möglich ist.

Bei sehr großer Apertur kann eine geringe Abschattung durch Stufensprünge akzeptabel sein, wobei dann die plattenartigen Sonnenkollektoren in den Bereich der Abschattung hinein verlängert werden können.

Claims

Sonnenkollektor zum Konzentrieren und Richten einfallender Sonnenstrahlung auf einen entlang einer Brennlinie angeordneten Absorber, mit einer glatten, ebenen Grundfläche, die unter einem Winkel Φ zur Normalen auf der einfallenden Strahlung geneigt ist, und mit einer Fläche, die von einer gestaffelten Gruppenanordnung ebener, durch Stufensprünge voneinander getrennten Reflektoren gebildet ist, wobei die einzelnen Reflektoren unterschiedliche Winkel gegenüber der Horizontalen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der einzelnen ebenen Reflektoren (21; 31, 32, 33, 34; 40; 50) zur Grundfläche (20) unter einem Winkel (α′) geneigt ist, dessen Größe kleiner oder gleich Null, aber größer als oder gleich dem negativen Winkel (-Φ) ist, wodurch keine Abschattung der einfallenden oder reflektierten Strahlung durch die Stufensprünge erfolgt.