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Dokumentenidentifikation DE60127256T2 15.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001295068
Titel SONNENKONZENTRATOR UND EMPFÄNGER
Anmelder Solar Enterprises International , L.L.C., Chicago, Ill., US
Erfinder WINSTON, Roland, Chicago, IL 60615, US
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Aktenzeichen 60127256
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.06.2001
EP-Aktenzeichen 019465079
WO-Anmeldetag 19.06.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/19515
WO-Veröffentlichungsnummer 2001098717
WO-Veröffentlichungsdatum 27.12.2001
EP-Offenlegungsdatum 26.03.2003
EP date of grant 14.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse F24J 2/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Solarkonzentrator mit einem Spalt zwischen einem primären Reflektor und einem Solarempfänger. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Solarkonzentrator mit einer optimierten Positionierung eines Empfängers (Kollektors) relativ zum primären Reflektor und einen benachbarten Schlitz oder einer Aussparung im Profil des primären Reflektors.

Die Erfordernis, eine neue Generation von nicht-bildgebenden Solarkonzentratoren zu entwerfen, ist durch das so genannte "Spalt-"Problem wieder in den Vordergrund gerückt: das heißt, wie nahezu ideale Konzentratoren entworfen werden sollen, bei denen der Reflektor einen Leerraum oder einen Spalt um den Absorber zur thermischen Isolierung oder aus mechanischen Gründen aufweisen muss. Dies hat seit jeher hohe praktische Relevanz. Der Gegenstand ist bereits an die 20 Jahre alt und einige frühe Entwicklungen weisen erhebliche Nachteile auf.

Gestaltungen von nicht-bildgebenden Solarkonzentratoren des Stands der Technik erfordern in der Regel, dass sich Reflektor und Absorber berühren. Der Grund hierfür ist zwingend und wert wiederholt zu werden. Diese Gestaltungen erzwangen, dass die Eingangs- und Ausgangsausbreitung dem wohlüberlegten Einsatz des Reflektors entsprechen. Das Argument lautet wie folgt: Die Ausbreitung kann als Länge des optische Pfades entlang der maximalen Winkelstrahlen (der "Kantenstrahlen") sowohl am Eingang wie auch am Ausgang des Konzentrators ausgedrückt werden. Die Ausgangsstrahlen treffen wiederum auf dem Absorber auf. Diese Beziehung ist sehr allgemein und verwendet das Hilbert-Integral, ein Konzept, das aus der Variationsrechnung geliehen und an die Optik angepasst wurde. Die Ausbreitung, die der Anforderung entspricht, wird erfüllt, indem sichergestellt wird, dass die optische Pfadlänge der äußersten Kantenstrahlen, die am Ende von Eingang und Ausgang vorliegen, dieselben sind. Dies geschieht über Spiegelsegmente am Eingang und Ausgang, die die Winkel zwischen den äußersten Kantenstrahlen halbieren. Ein äußerster Strahl wird auf den anderen reflektiert, wodurch dieser veranlasst wird, denselben optischen Pfad zu folgen. Auf diese Weise wird die Gleichheit der optischen Pfade durchgesetzt, indem die Pfade identisch gemacht werden. Diese Methodik erfordert Spiegelsegmente, die an Eingang und Ausgang angrenzen und im Besonderen den Absorber berühren. Aber praktische Überlegungen geben einen Spalt zwischen Absorber und Reflektor vor. Die Prognose als Ergebnis des Theorem des Hilbert-Integrals lautete, dass das Einfügen eines Spalts zu einem Verlust des optischen Durchsatzes, zum Verlust der Konzentration oder beidem führen würde.

Bei thermischem Solarkonzentratoren war ein physikalischer Leerraum oder "Spalt" zwischen dem Wärmeabsorber und dem Reflektor erforderlich, um den Absorber mit einem Vakuumraum oder mit Luft zu isolieren, oder einfach, um eine Beschädigung des Reflektors zu verhindern. Die praktische Erfordernis eines Spalts führte zu verschiedenen Versuchen, die Gestaltung abzuändern, mit dem Ziel einen möglichen Strahlungsverlust durch den Spalt zu reduzieren oder zu verhindern, während möglichst die maximale Konzentration beibehalten wird. Ein wichtiger Schritt war die Entwicklung einer verlustfreien W-förmigen Aussparung (siehe z.B. US-A-4,4149,984) mit dem Spalt (Gap) (g) bis zu (g + r) ≈ √2r , wobei r der Radius des zylindrischen Absorbers ist. Dies beweist die Existenz einer verlustfreien Lösung, aber man gibt natürlich die Lichtkonzentration auf. Dann wurde eine Mikrostruktur erfunden, die die gesamte Strahlung außerhalb der winkelförmigen Substanz des Absorbers in den Absorber umleitet. Dies ging bis zu dem Fall g = r, wobei die äußere Ausbreitung genau der Ausbreitung entspricht, die vom Empfänger abgeschnitten wird. Der einschränkende Fall ist ganz einfach: Für g = r beträgt der vom Absorber abgeschnittene Winkel an der Aussparungswand 60°. Die vom Absorber abgeschnittene Ausbreitung beträgt (bis zu konstanten Faktoren) 2 sin 30°, während die äußere Ausbreitung (bis zu konstanten Faktoren) 2 (1 – sin 30°) beträgt. Diese sind gleich. Natürlich wird hier immer noch etwas Konzentration aufgegeben, da die Anforderungen, dass die gesamte Strahlung außerhalb der Winkelsubstanz liegt, sicherlich ausreichend sind, aber mehr als erforderlich ist. Einige Bereiche der äußeren Ausbreitungsfläche sind leer, da die Lichtstrahlen vom Himmel sie nicht erreichen. Nichtsdestotrotz ist diese Lösung praktisch, da alle Elemente der Mikrostruktur identisch sind. Die Strukturen sind V-förmig und durch die herkömmlichen Bild-Verfahren gestaltet. Bei der großen Spaltgrenze ist g = r und die Mikroschlitze weisen einen Öffnungswinkel von 120° auf. Die benötigten praktischen Implementierungen wiesen nur ein V auf (siehe z.B. US-A-4,387,961), was hervorragend bis zu g ≈ 0,27r und auch ziemlich gut für noch größere Spalte funktioniert. Dennoch ist die Anforderung von keinerlei optischem Verlust ungebührlich einschränkend, da dies zu einem bedeutenden Verlust der Konzentration führt. Verschiedene Gestaltungsansätze gestatten optional die Beibehaltung der maximalen Konzentration, während optische Verluste akzeptiert werden, wobei optische Verluste auf Kosten der Konzentration oder eines Kompromiss zwischen diesen beiden Extremen vermieden werden. Es kann sogar ein virtueller Absorber gestalten werden, der größer ist als der Absorber (siehe. z.B. US-A-4,230,095), wodurch sogar mehr als die ideale Konzentration erzeugt wird. Natürlich geht dies auf Kosten eines Verlusts beim optischen Durchsatz, da Strahlung durch den Spalt entweicht. Dieser wurde auf Grund seiner Form als "Eistüten"-Gestaltung bekannt. Erforderlich ist ein Ansatz zur Optimierung des Kompromisses zwischen optischem Verlust und Konzentration. Dieser Kompromiss sollte auch wirtschaftliche und herstellungsbezogene Überlegungen miteinbeziehen.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Solarkonzentratorgestaltung auszubilden.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine verbesserte Gestaltung des Solarkonzentratorspalts auszubilden.

Es ist ein weiteres Objekt der Erfindung einen verbesserten Solarkonzentrator mit einer im Besonderen räumlichen Beziehung zwischen einem primären Reflektor, einem gekoppelten V-Kerb-Abschnitt und einem Solarempfänger auszubilden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Ausbildung eines neuen Solarkonzentrators, wobei die Position des Empfängers im realen Raum durch die Bildung eines Spiegelbilds definiert wird, basierend auf einer Tangente zur Oberfläche des virtuellen Empfängers, wobei die durch die Verbindung von zwei Punkten definierte Tangentenlinie (in einer zweidimensionalen Konstruktion) das Ende des primären Reflektors und den Beginn der V-Kerbe definiert.

Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist die Ausbildung eines verbesserten Solarkonzentrators, wobei die Position des Empfängers durch ein Spiegelbild eines virtuellen Empfängers über eine Kante (oder Ebene in drei Dimensionen) einer V-Kerbe und einer Tangente zum vertikalen Empfänger definiert wird.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beschriebenen Zeichnungen deutlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die FIG. veranschaulicht in einem zweidimensionalen Querschnitt die Positionierung eines virtuellen Empfängers relativ zu einem realen Solarempfänger.

Ein Solarkonzentrator mit einem Spalt, der gemäß der Erfindung gestaltet ist, wird im Allgemeinen in der FIG. dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Der Solarkonzentrator 10 wird nur als zweidimensionaler Querschnitt dargestellt, aber es versteht sich, dass er quer auf ein dreidimensionales Gerät für einen realen Einsatz ausgedehnt sein soll. Der Solarkonzentrator 10 enthält einen primären Reflektor 20, der in einer am besten bevorzugten Ausführungsform eine zugeschnittene Oberflächenkontur aufweist, um die Wirksamkeit der Lichtsammlung zu erhöhen. Man vergleiche beispielsweise USPN 5,586,013, das einen zugeschnittenen Reflektor zur Verwirklichung des gewünschten Zwecks enthält.

Gekoppelt mit dem primären Reflektor 20 ist eine V-Kerbe 30, die eine charakteristische Oberflächenkontur aufweist, die vorzugsweise wie oben beschrieben zugeschnitten ist. Darüber hinaus kann die V-Kerbe 30 auch zugeschnitten werden, um die Wirksamkeit bei der Verarbeitung von Licht zum Vorteil des Solarkonzentrators 10 zu optimieren.

Wie oben beschrieben, ist es vorteilhaft, die Lage des Lichtempfängers 35 sorgfältig relativ zum Spalt 38 zu positionieren, um die Wirksamkeit der Betriebs weiter zu optimieren. Im Besonderen wird im zweidimensionalen Querschnitt der FIG. die Lage des Lichtempfängers 35durch Bildung einer Tangentenlinie 40 errichtet, die durch die Punkte 50 und 60 definiert ist, die als Unstetigkeit zwischen den Oberflächenkrümmungen des primären Reflektors 20 und der V-Kerbe 30 auftritt. Im dreidimensionalen Raum wird eine Ebene zwischen den beiden Linien gebildet, die durch die Überflächenkontur-Unstetigkeiten zwischen dem primären Reflektor 20 und der V-Kerbe 30 errichtet werden. Für Erklärungszwecke wird weiterhin das zweidimensionale Konstrukt der FIG. verwendet, wobei nicht vergessen werden darf, dass dieses für den kommerziellen Einsatz als dreidimensionales System zu erweitern ist.

In dem Beispiel der zweidimensionalen Geometrie der FIG. wird ein Tangentenpunkt 80 auf dem virtuellen Bild 90 des Lichtempfängers 35 errichtet. Das resultierende virtuelle Bild 90 wird über die Oberflächenkontur von Ebene 100 oder 102 der V-Kerbe 30 reflektiert. In der Folge, wird der Empfänger 35 gleichermaßen entlang der Spiegelbildlinie 110 angeordnet (gleiche Flächen links und rechts von der Linie 110). Die daraus entstehende Gestaltung des Empfängers 35, der primäre Reflektor 20 und die V-Kerbe 30 wirken zusammen, um die Wirksamkeit zur optimieren und gleichzeitig den erforderlichen Spalt im Solarkonzentrator 10 zu behalten.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die Bezugnahme auf die im Folgenden dargelegten Ansprüche ersichtlich. Während bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, versteht es sich für Kenner der Technik, dass Änderungen und Abweichungen erfolgen können, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung in den umfassendsten Aspekten abzuweichen, wie in den Ansprüchen definiert.


Anspruch[de]
Solarkonzentrator (10), umfassend:

einen ersten Reflektor (20) mit einer Oberflächenkontur;

einen V-Kerben-Abschnitt (30), der mit dem ersten Reflektor (20) durch eine erste Unstetigkeitslinie und eine zweite Unstetigkeitslinie gekoppelt ist, die zwischen der ersten Reflektor-Oberflächenkontur und dem V-Kerben-Abschnitt (30) gebildet sind; und

einem Empfänger (35), der an einer Spiegelbildposition über einer Ebene (100 oder 102) angeordnet ist, die den V-Kerben-Abschnitt (30) relativ zu einem virtuellen Empfängerbild (90) mit einer Tangente hierzu definiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangente durch eine Ebene definiert ist, die die erste Unstetigkeitslinie und die zweite Unstetigkeitslinie aufweist, wobei der Empfänger (35) über der Tangente zum virtuellen Empfängerbild (90) angeordnet ist.
Solarkonzentrator (10) gemäß Anspruch 1, wobei das virtuelle Empfängerbild (90) ein Bild auf beiden Seiten des V-Kerben-Abschnitts (30) umfasst. Solarkonzentrator (10) gemäß Anspruch 2, wobei der Empfänger (35) symmetrisch relativ zum V-Kerben-Abschnitt (30) angeordnet ist. Solarkonzentrator (10) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Reflektor (20) eine zugeschnittene nicht bildgebende Oberflächenkontur aufweist. Solarkonzentrator (10) gemäß Anspruch 1, wobei der der V-Kerben-Abschnitt (30) eine zugeschnittene nicht bildgebende Oberflächenkontur aufweist.






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