DE10203106A1 - Optisches System zur Erhöhung der solaren Strahlungsdichte - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches System bestehend aus zwei oder mehreren optisch wirksamen Bauelementen und einem Verfahren zur Berechnung dieser Elemente, wobei die vorliegende Erfindung vornehmlich im Bereich der konzentrierenden Systeme in der Solartechnik eingesetzt wird.
• Im Bereich der konzentrierenden Systeme in der Solartechnik sind verschiedene Lösungen bekannt, die die einfallende direkte solare Strahlung auf Absorber unterschiedlichster Art fokussiert. Anwendungsbezogen können die Absorber spezielle photovoltaisch arbeitende Halbleiter und Flüssigkeiten oder Gase zum Antrieb von Turbinen oder Stirlingmotoren oder zur Erzeugung von Nutzwärme sein. Die benötigte und von den optisch konzentrierenden Systemen erreichte geometrische Konzentration, also das Verhältnis der zur Verfügung stehenden Aperturfläche und der effektiven Absorberfläche liegt dabei zwischen 2 und 10000. Bis zu einer Konzentration von 100 können die optischen Systeme in einer Achse dem Sonnenlauf nachgeführt werden, darüber hinaus ist eine zweiachsige Nachführung, ähnlich der eines astronomischen Teleskops notwendig.
• Eingesetzt werden zum einen Reflexionskonzentratoren, wie Parabolrinnen, Hohlspiegel oder Heliostatenfelder und zum anderen Brechungskonzentratoren wie Sammellinsen, Zylinderlinsen oder Fresnellinsen.
• Beim Einsatz von zylindrischen Fresnellinsen, den linearen Fresnellinsen, die aus lang ausgestreckten Prismen mit unterschiedlichen Prismenwinkeln bestehen und deren Berechnung in der Literatur zu finden ist, wird häufig auf einachsige Nachführung des optischen Systems zurückgegriffen. Dabei wird das optische System dem Azimut oder der Elevation der Sonne nachgeführt, was einer Ausrichtung der linearen Strukturen in Nord-Süd-Richtung bzw. in Ost-West-Richtung entspricht. Die jeweils nicht nachgeführte Richtung des optischen Systems führt bei Veränderung des Sonnenstandes zu einem Schrägeinfall der Sonnenstrahlen auf die Aperturfläche, wobei die Strahlungseinfallswinkel parallel zu den linearen Strukturen der Fresnellinsen auftreten.
• Dieser Schrägeinfall führt immer zu einer Verschiebung des Fokalbereiches zur Linsenebene hin.
• In Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 2a und Fig. 2b wird diese Problematik erläutert. Fig. 1a zeigt den Strahlengang bei einer wie oben beschriebenen herkömmlichen Fresnellinse. Die einfallenden Sonnenstrahlen 1 werden von der Fresnellinse 2 in die Fokalebene mit dem Absorber 3 gebrochen. Fig. 1b zeigt die senkrecht dazu gehörenden Strahlverlauf.
• Die Änderung des Fokalbereiches führt dazu, dass der Absorber mechanisch aufwendig bei Schrägeinfall nachgeführt werden muss. Weiterhin ist eine gleichmäßige Bündelung wie im ursprünglichen Fokalbereich nicht mehr gegeben und somit die gewünschte Strahlungskonzentration geringer. Ebenso werden Strahlen aus den Randbereichen der Linse durch Totalreflexion und durch hohe Reflexionsgrade in den Raum der einfallenden Strahlen zurückreflektiert, was zu optisch bedingten Verlusten führt. Eine zweiachsige Nachführung wird dadurch notwendig.
• Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, mit einfachen Mitteln die aufwendige mechanische zusätzliche Nachführung des Absorbers zu ersetzen und gleichzeitig optische Verluste bei schrägem Einfall zu minimieren.
• Die Funktion des erfindungsgemäßen optischen Systems wird in Fig. 3a, Fig. 3b, Fig. 4a und Fig. 4b erläutert. Dabei werden die Prismenwinkel der erfindungsgemäßen Fresnellinse so ausgebildet, dass der in Kombination mit den an dem Absorber 3 angebrachten erfindungsgemäßen Spiegelplatten über den Tagesverlauf maximale Energieeintrag auf dem Absorber gewährleistet wird. Wie in Fig. 4a und Fig. 4b gezeigt, wird vornehmlich eine gleichmäßige und hohe Konzentration durch die Fresnellinse bei schrägem Einfall erreicht. Bei geradem Einfall der in Fig. 3a und Fig. 3b beschrieben wird, werden die einfallenden Strahlen 1 durch den erfindungsgemäßen optischen Aufbau der Fresnellinse 2 und der Spiegelplatten 4 ebenso maximal konzentriert.
• Die Prismenwinkel der Fresnellinse des erfindungsgemäßen Aufbaus müssen ermittelt werden, in dem für jede gewünschte Position als Abstand von der optischen Achse des Linsensystems derjenige Prismenwinkel durch Berechnung des optischen Strahlengangs unter Berücksichtigung der Spiegelplatten bestimmt wird, bei dem der maximale Ertrag an einfallenden Strahlen auf die Absorberfläche bei Variation des Einfallwinkels erreicht wird. In die Berechnung der Prismenwinkel gehen gewünschte Fokalweiten und Anstellwinkel der Spiegelplatten ein.
• Als Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems kann die Fresnellinse in flacher oder gewölbter Form ausgelegt werden. Die optischen Materialien der Linse sind vornehmlich transparente Kunststoffe wie PMMA oder auch Glas. Bezugszeichenliste 1 Strahlengang
  2 Fresnellinse
  3 Absorber
  4 Trogförmige Spiegelsystem
  

Claims (3)

1. Optischer Aufbau zur Erhöhung der solaren Strahlungsdichte, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine fokussierende, transparente Zylinderlinse und ein im Fokalbereich angebrachtes trogförmiges Spiegelsystem eine Bündelung der einfallenden Strahlung bewirkt, wobei die Strahlung sowohl senkrecht auf die Oberfläche als auch schräg in der Ebene der Zylinderachse und der Flächennormale einfallen kann.

2. Optischer Aufbau nach Anspruch (1) dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Zylinderlinse als lineare Fresnellinse ausgeführt wird.

3. Optischer Aufbau nach Anspruch (2) dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenwinkel der Fresnellinse durch Berechnung des Strahlengangs ermittelt werden, indem diejenigen Prismenwinkel bestimmt werden, bei dem der maximale Ertrag an einfallenden Strahlen auf eine gewünschte Absorberfläche bei Variation des Strahlungseinfallswinkels erreicht wird.