DE2461785A1

DE2461785A1 - Strahlungskollektor

Info

Publication number: DE2461785A1
Application number: DE19742461785
Authority: DE
Inventors: Roland Winston
Original assignee: University of Chicago
Current assignee: University of Chicago
Priority date: 1973-12-28
Filing date: 1974-12-30
Publication date: 1975-07-10
Also published as: US3923381A; JPS51131934A; FR2256418A1; JPS50115047A; FR2256418B1

Description

Dr-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. 3ERKENPELD, Patsntanv/alte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 27· Dezember 1974 vA, Named.Anm. University of Chicago

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Strahlungskollektor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Sammeln von elektromagnetischer Energie und insbesondere auf Vorrichtungen zum Sammeln und Verwenden von Strahlungsenergie von der Sonne und anderen Quellen.

Zahlreiche Vorrichtungen sind bereits vorgeschlagen worden zum Aufspa?üren von elektromagnetischer Energie (zum Beispiel Infrarotabtaster, Detektoren für Licht aus hochenergetischen Partikeln und dergleichen) und zum Sammeln dieser Energie (zum Beispiel Mikrowellenantennen, Sonnenkollektoren und dergleichen)_β Besonders viele Vorschläge gibt es für Systeme zum Sammeln und Verwenden von Sonnenenergie,

Trotz der zahlreichen Vorschläge liegt eines der grundlegenden und bis heute noch nicht ausreichend gelösten Probleme bei der wirkungsvollen Ausnutzung der Sonnenenergie in den durch Rückstrahlung (das heißt Energiekonservierung) bedingten Energieverlusten und in der möglichen Vermeidung der Verwendung von verwickelten und damit teuren Einrichtungen zum Vervfolgen der Sonnenbahn bei deren täglicher Bewegung am Himmel,

Bei einem typischen Versuch zur Lösung dieser Probleme der Sonnenenergiekonservierung werden Überzüge selektiv auf Energie absorbierende Oberflächen aufgetragen. Ebenso wird eine spezielle Isolierung der für die Verwendung der gesammelten Energie eingesetzten besonderen "Falle" verwendet. In der US-PS 3 277 884 wird ein Beispiel beschrieben«

Bei einer anderen allgemein angewendeten Verfahrensweise der Energiekonservierung werden in den Sammelanordnungen reflektierende oder brechende Konzentrationseinrichtungen verwendet, damit die auf eine verhältnismäßig große Fläche auftreffende Sonnenenergie gesammelt und die gesammelte Energie in Richtung auf eine ver-

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hältnismäßig kleine Verwendungsfläche gebündelt werden kann. Typische Anordnungen für diese Verwendung von Reflektor-Konzentratoren werden zum Beispiel in den US-PS 1 814 897, 3 200 820 und 3 217 702 erläutert, ("Beschattungs"-Wirkungen, wie sie beim Anordnen eines Energie-Verwendungskörpers im Weg des auf Reflektoren auftreffenden Sonnenlichtes auftreten, lassen sich in gewissem Maß durch Verwendung von außermittig angeordneten Reflektoren vermeiden, wie sie beschrieben werden in der US-PS 3 052 229, 3 613 659 und Tabor, "Stationary Mirror Systems for Solar Collectors", Solar Energy, Band II, Nr₀ 3-4, Seiten 27 ff. (1958))₀

Für die Sonnenlichtkonzentration typische Linsensysteme werden beschrieben in der US-PS 3 125 091 und Meinel et al, "Physics Looks at Solar Energy", Physics Today, Band 25, Seiten 684 f. (1972), Sämtliche der oben aufgeführten Spiegel« und Linsensysteme sind im Prinzip Bild bildende Systeme, bei denen die Sonnenenergie auf einen Brennpunkt geworfen oder gebrochen wird, an dem die "konzentrierte" Energie zum Heizen oder Leistungserzeugung verwendet wird.

Zu den Lösungen, die zur Vermeidung der täglichen Sonnenbahnverfolgung vorgeschlagen wurden, gehört auch die Anordnung £ von riesigen, aber nur schwach wirkungsvollen Spiegelflächen, wie sie in der US-PS 3 179 105 beschrieben wird.

Mit keiner der bekannten Anordnungen läßt sich das Problem der Energiekonservierung oder -erhaltung und der Sonnenbahnverfolgung angemessen lösen. In einem gewissen Maß hat auch die Lösung eines Problems zu einer Vergrößerung der sich durch ein anderes Problem ergebenden Schwierigkeiten geführt. Das heißt, daß Anordnungen, die eine starke Sonnenlichtkonzentration zulassen, im allgemeinen eine sehr,, sorgfältige und häufige tägliche Einstellung der Sonnenbahn-·Verfolgungseinrichtungen verlangen. Umgekehrt haben Anordnungen, die nur eine geringe oder überhaupt keine tägliche Einstellung verlangen, nur einen sehr geringen Konzentra- « tionsfaktor. Tabor, infra führt zum Beispiel aus, daß die mit einem stationären System (das heißt einem System, das nur eine Sonnenbahneinstellung pro Jahreszeit verlangt) eine maximale Konzen-

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tration in der Größenordnung von 3 oder 4 erreichbar ist.

Nicht Bild bildende Lichttunnel, die sich zum Sammeln von Licht aus hochenergetischen Partikeln anwenden lassen und die eine größere Konzentration als Bild bildende Anordnungen ermöglichen, sind schon vom Erfinder und seinen Mitarbeitern in früheren Veröffentlichungen beschrieben worden: Review of Scientific Instruments, Band 37, Nr. 8, Seiten 1094-5 (1966), in der gleichen Zeitschrift, Band 39, Nr. 3, Seiten 419-20 (1968), in der gleichen Zeitschrift, Band 39, Nr. 8, Seiten 1217-8 (1968) und J. Opt. Soc. Am., Band 60, Nr. 2, Seiten 245-7 (1970). Der Erfinder hat auch die Ähnlichkeit zwischen solchen Lichttunneln und der Geometrie von Netzhautkonen in J. Opt, Soc, Am., Band 61, Nr, 8, Seiten 1120-1 (1971), beschrieben. Die obigen Veröffentlichungen befassen sich grundsätzlich mit Vorschlägen für "ideale", konischgeformte Lichtsammler, die sich einer Lichtstärke von gleich 0,5 annähernd. Für Linsensysteme ist dies eine physikalisch nicht verwirklichbare Grenze.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine nicht Bild bildende Anordnung mit außergewöhnlichem Wirkungsgrad für die Sammlung und Konzentration von elektromagnetischer Energie vorgesehen. Zur Erfindung gehören in einer Längsrichtung verlaufende, im all-"gemeinen wannenförmige Sammelstrukturen mit sich gegenüberliegenden inneren reflektierenden Flächen, die die auf eine verhältnismäßig große Eintrittsöffnung auffallende Strahlungsenergie leiten und konzentrieren. Dies erfolgt in Richtung auf und bei Bedarf durch eine verhältnismäßig kleine Austrittsöffnung, an der eine Falle zum Erfassen und AnwendHn der konzentrierten Energie angeordnet sein kann. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konstruktionen enthalten ein elliptisch-konisches Annahmefeld, das eine außergewöhnlich scharfe äußere Grenzlinie aufweist.

Es ist daran gedacht, daß sich die erfindungsgemäßen Ausführungsformen äußerst wirksam bei der Sammlung und.Anwendung von Sonnenenergie anwenden lassen und damit bei minimaler Sonnenbahnverfolgung eine starke Energiekonzentration und damit hohe Temperaturen und optimale Energieerhaltung ermöglichen.

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Weitere Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus einer Betrachtung der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 und Fig. 2 je eine schematische Darstellung von erfindungsgemäßen Strahlungsenergie-Sammelwannen,

Fig. 3 ein Querschnitt entlang der Linie 3 - 3 in Fig. 2, Fig. 4 ein Querschnitt durch eine Sammelwanne mit geraden Seiten,

Fig. 5 eine zusammenfassende Seitenansicht, im Schnitt, durch auch erfindungsgemäß ausgebildete Sammelwannen,

Fig. 6 eine grafische Darstellung des Annahmefeldes der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Sammelwanne,

Fig. 7 eine vergleichende grafische Darstellung der relativen Annahmefelder,

Fig. 8 ein Querschnitt durch eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung,

Fig. 9 eine S schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig.10 ein Querschnitt entlang der Linie 10 - 10 in Fig. 9,

Fig.11 eine schematische Darstellung einer für die Sonnenenergier· sammlung nutzbaren Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 12 eine grafische Darstellung von relativen Sonnenbewegungen, Fig.13 eine Variante zu Fig. 12,

Fig.i4 eine grafische Darstellung der Aufnahme eines erfindungsgemäßen Sammlers, dargestellt im Maßstab der optischen Richtungskosinusse,

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Fig.15 eine grafische Darstellung der relativen Sonnenbewegung verglichen mit dem Aufnahmefeld eines erfindungsgemäßen Sammlers,

Fig.16 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sonnenenergiesammlers und

Figuren 17 bis 19 je eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strahlungsenergiesammlers.

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sammlers für elektromagnetische Energie mit einem im allgemeinen wannenförmigen Körper 10 mit in einer Längsrichtung verlaufenden, im allgemeinen zueinander parallelen, geometrisch ähnlichen Seitenwandelementen 11, 11, deren Innenflächen 11a, 11a aus Energie reflektierendem Werkstoff bestehen. Nach der Darstellung verjüngen sich die Wändelemente 11, 11 von einer Eingangsöffnung 12 in Richtung auf die Austrittsöffnung 13. Fig. 2 zeigt eine ähnliche Konstruktion mit Endwandelementen 14, 14, die vorzugsweise von einer Öffnung 13 zu einer Öffnung 12 verlaufen und vorzugsweise auch Energie reflektierende Innenflächen 14a, 14a aufweisen. Wie im folgenden noch in größerem Detail erläutert werden wird, führt die Anordnung von reflektierenden Seitenwandelementen zu optischen Eigenschaften, die sich im allgemeinen nur bei einer Wanne mit unendlicher Länge einstellen.

Die optischen Eigenschaften der Sammler der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Art ergeben sich am deutlichsten aus einer Betrachtung der Figuren 3, 4 und 5. In Fig. 3 wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sammlers dargestellt mit einer Eintrittsöffnung mit einer Quererstreckung cLj, einer Austrittsöffnung mit einer QuererStreckung dp, einer Gesamthöhe L, einer mit OA bezeichneten optischen Achse und einem mit G bezeichneten halben Blickfeld. Die optische Achse der Wanne wird bestimmt durch eine von der Eintritts- zu der Austrittsöffnung verlaufenden Linie« Sämtliche Punkte dieser Linie liegen in gleichen Abständen zu den entsprechenden sich gegenüberliegenden Kanten jeder Öffnung. Das halbe Blickfeld der in Fig. 3 gezeigten .

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Wanne wird für die erfindungsgemäßen Zwecke als der Winkel festgelegt, der durch den Schnittpunkt der optischen Achse und einer geraden Linie festgelegt wird, die eine Kante einer Öffnung mit der seitlich gegenüberliegenden Kante der anderen öffnung verbindet.

Eine sämtlichen erfindungsgemäßen Sammlern gemeinsame Eigenschaft ist das "Annahmefeld¹¹, Dieses ist als das dreidimensionale Gebiet definiert, aus dem Strahlungsenergie (Strahlen), die auf einen gegebenen Punkt in der Ebene der Sammler_eintrittsöffnung auftreffen, die Austrittsöffnung entweder unmittelbar oder über eine oder mehrere Reflexionen an den reflektierenden Flächen erreichen. Mit anderen Worten gesagt, in dem Annahmefeld eines Sammlers erzeugte und die Eintrittsöffnung erreichende Strahlen werden unweigerlich auch die Austrittsöffnung erreichen. Außerhalb dieses Feldes erzeugte Strahlen werden die Austrittsöffnung dagegen nicht erreichen.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist die Form eines Wandelementes 11, wie sie durch den Querschnitt des Sammlers 10 dargestellt wird, als die "Profilkurve" des Elementes bekannt. Die Profilkurve eines Seitenwandelementes eines erfindungsgemäß konstruierten Sammlers kann daher zum Beispiel jede im wesentlichen platte, nicht konvexe Linie sein, die sich seitlich entsprechende Kanten der Austritts- und Eintrittsöffnung verbindet und in die schattierte Fläche nach Fig. 5 fällt. Es sei darauf hingewiesen, daß die schattierte Fläche zwar ihre Grenzen hat, aber nicht eine gerade Linie nach der Darstellung in dem Sammler nach Fig. 4 aufweist. Eine eingeschlossene parabolische Linie, wie sie in der Ausführungsform nach Fig. 3 gezeigt wird, bildet die andere Grenzlinie und wird im folgenden in größerem Detail beschrieben. Konkave Kurven mit einer Länge, die über der der eben genannten parabolischen Linie liegt, werden ebenfalls ins Auge gefaßt.

Die Profilkurve einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform eine.s erfindungsgemäßen Sammlers wird in Fig. 3 gezeigt. Die folgenden Gesichtspunkte dieser Ausführungsform sind für ein Ver-

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ständnis der Erfindung von besonderem Interesse:

T. Die Konzentrationsfähigkeit des Sammlers_$ das heißt das Verhältnis der QuererStreckung d« der Austrittsöffnung zu der QuererStreckung d,, der Eintrittsöffnung, ist gleich dem Sinus des Halbfeldes (Θ) der Wanne.

2. Die Höhe L des Sammlers ist gleich der Hälfte der Summe von

d,, und d₂ multipliziert mit dem Cotangens des halben Blickfeldes.

3. Die Profilkurve jedes Wandelementes ist ein Abschnitt einer Parabel, deren Brennpunkt die seitlich gegenüberliegende Kante der Austrittsöffnung ist und deren Achse durch eine Linie gebildet wird, die mit der optischen Achse der Wanne einen Winkel bildet, der gleich dem halben Blickfeld (Θ) der Wanne ist.

4. Die Ausführungsform nimmt zur Konzentration sämtliche Energie auf, die sich von innerhalb eines durchschnittlichen ellipitischen, konischen Aufnähmefeldes ableiten läßt, das durch die geometrische Anhäufung sämtlicher elliptischer konischer Annahmefelder an sämtlichen Punkten in der Ebene der Aufnahmeöffnungen entwickelt wird, wobei die Parameter jedes der zahlreichen Felder wie folgt sind (siehe Fig. 6): '

Ca) Der Scheitel des Konus ist jeder Punkt P in der Ebene der Eintrittsöffnung;

(b) die Achse des Konus ist eine zu der optischen Achse der Wanne parallele Linie j

(c) die kleinere Halbachse des Konus verläuft in einer Richtung quer zu der Wanne und schließt einen Winkel ein, der gleich dem halben Blickfeld (Q) der Wanne ist, und

(d) die größere Halbachse verläuft in der Längsrichtung der Wanne und schließt einen sich 90° annähernden Winkel ein (wenn sich die Wanne einer unendlichen Länge annähert).

Da sich die größere Halbachse des Annahmefeldes an jedem Punkt P

jmendlicher Läng

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für einen Sammler von unendlicher Länge 90° annähert und da die

Anordnung von reflektierenden Endwänden optische Eigenschaften bringt, die der Anordnung einer unendlich langen Wanne gleichkommen, nähert sich ein Querschnitt (parallel zu der Ebene der Eintrittsöffnung) des durchschnittlichen Annahmefeldes eines Sammlers nach Fig. 3 der Form eines unendlich langen rechteckförmigen Streifens an. Daraus folgt, daß die Fläche einer Kugel mit Einheitsradius, die von diesem Aufnahmefeld geschnitten wird, sich dem Vierfachen des halben Blickfeldes (θ) annähert, vorausgesetzt, daß der Winkel (Θ) in Radiant gemessen wird (1 Radiant ist ungefähr 57,3°).

Besonders bemerkenswert ist, daß das Annahmefeld der Ausführungsform an jedem und jeglichem Punkt P in der Ebene der Eintrittsöffnung identisch ist. In diesem Fall unterliegt das Annahmefeld nicht Fehlern oder Verringerungen an den Kanten der Sammlerwanne und der maximale Annahmewinkel, das heißt die Winkelaufnahme an der Eintrittsöffnung θ__βν des Sammlers ist dem Betrag nach gleich dem Winkel des halben Blickfeldes (Θ).

Eine weitere Eigenschaft von Interesse bei den Ausführungsformen nach den Figuren 1 bis 3 liegt darin, daß Strahlungsenergie in einer quer durch die Wanne verlaufenden Ebene, die unter Winkeln von weniger als, aber nahe an θ gegenüber der optischen Achse auftrifft, mit einer oder ohne jegliche Reflexion zu der Austrittsöffnung übertragen wird.

Die Eigenschaften eines solchen Sammlers ergeben sich auch bei dem Vergleich seines Wirkungsgrades mit dem einer perfekt absorbierenden ebenen Fläche für isotrope Strahlungsenergie, die an der Eintrittsöffnung in bezug auf die optische Achse unter sämtlichen Winkeln bis zu 90° auftrifft. Das Verhältnis der von dem Sammler pro Sekunde und pro Flächeneinheit aufgenommenen Energie zu der Energie, die von der absorbierenden Fläche pro Sekunde und pro Flächeneinheit aufgenommen wird, ist gleich der Konzentrationsfähigkeit des Sammlers, das heißt, das Verhältnis der Breite d₂ der Austrittsöffnung zu der Breite d^ der Eintrittsöffnung.

Bei der Konstruktion eines Sammlers lassen sich in der Praxis

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zahlreiche Abweichungen von den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Größenverhältnissen vornehmen, wobei dieser Sammler trotzdem noch zufriedenstellende, wenn auch nicht ideale Gesamtergebnisse zeigen wird. Zum Beispiel sei bemerkt, daß die Seitenwand 11 in Fig. 3 an einem Punkt endet, an dem eine Linientangente an ihrer parabolischen Krümmung parallel zu der optischen Achse liegen würde. Bei einigen Ausführungsformen mag die Anordnung einer kegelstumpfförmigen Sammlerwanne mit einer Höhe, die unter der des Sammlers nach den Figuren 1 bis 3 liegt, erwünscht sein. In diesen Fällen würde die Seitenwand 11 kurz vor dem oben erwähnten Punkt enden.

Es mag nützlich sein, die Gesamthöhe des Sammlers duich lineare Erstreckung der reflektierenden Seitenwände 11a, 11a über die Eintrittsöffnung hinaus und parallel zu der optischen Achse zu vergrößern. Eine solche wirkliche Erstreckung der Eintrittsöffnung von der Austrittsöffnung weg führt nicht zu einer Änderung der Winkelöffnung des Sammlers. Wegen sich dabei einstellender Vielfachreflexionen kann sich jedoch der Wirkungsgrad des Sammlers verringern. Es mag weiter zweckmäßig· sein, lineare reflektierende "Übergangs"-Wandelemente vorzusehen, die von den Kanten der Austrittsöffnung entweder parallel zu der optischen Achse weglaufen oder sich vorzugsweise etwas nach außen verjüngen, um damit die Übertragung von Strahlen zu ermöglichen, die durch die Austrittsöffnung in Richtung auf einen Fotozellendetektor oder dergleichen durchtreten.

Ähnlich ist 'es auch wahrscheinlich, daß ein Sammler wirtschaftlicher in einer Form hergestellt werden könnte, die sich enger an die in Fig. 4 im Querschnitt dargestellte Form annähert. Wie aus bekannten zweidimensionalen Analysen der optischen Sammeleigenschaften von geraden Konen mit kreisförmiger Grundfläche vorausgesagt werden kann (vgl. zum Beispiel Williamson, "Cone Channel Condenser Optics", J. Opt_e Soc. Am., Band 42, Nr. 10,· Seiten 712-15 (1952) und White, "Cone Channel Optics", Infrared Physics, Band 5, Seiten 179-85 (1965)), besteht ein wesentlich stärker und scharf festgelegtes Aufnahmefeld für eine solche Konstruktion, Dies liegt daran, daß der maximale Aufnahmewinkel für gegebene Punkte in der Ebene der Eintrittsöffnung Schwankungen ausgesetzt

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ist, die von dem relativen Querabstand zu der optischen Achse der Wanne abhängen. Diese Tatsache ergibt sich am deutlichsten bei einer Betrachtung des folgenden hypothetisehen Beispiels.

BEISPIEL I

Es sei die Konstruktion eines ersten Sammlers nach den Figuren 1 bis 3 angenommen, bei dem das Verhältnis von d^ zu d₂ (und damit der Konzentrationsfaktor) 9,6 ist. Weiter sei angenommen, daß das halbe Bildfeld annäherned 6° ist. Die Höhe (L) des Sammlers würde gemäß der oben genannten Beziehung eine bestimmte Strecke sein, das heißt L = 1/2 (d^ + d₂) cot Q_max. Der maximale Aufnahmewinkel an sämtlichen Punkten in der Ebene der Eintrittsöffnung würde 6° sein. IJn einzelnen ergibt sich, daß auf einen Punkt P^ nahe an der Außenkante der Eintrittsöffnung auftreffende Strahlungsenergie die Austrittsöffnung erreichen würde, falls sie auf P₁ von einem Winkel von weniger als etwa 6° in jeder.Richtung auftreffen würde, wobei diese Winkelmessung quer zu der optischen Achse der Wanne erfolgt.

Weiter sei die Konstruktion eines zweiten Sammlers der in Fig. 4 im Querschnitt dargestellten Form angenommen mit Abmessungen d^, d₂ und L, die mit denen des ersten Sammlers identisch sind. Selbstverständlüi würde dieser Sammler die gleiche theoretische Konzentration von isotropisch einfallender Energie ergeben. Das Feld, aus dem Energie aufgesammelt werden könnte, wäre jedoch weit weniger scharf begrenzt. Auf einen Punkt P^ nahe an der Außenkante der Eintrittsöffnung auftreffende Energie würde nur dann zu der Austrittsöffnung durchgel*eitet, falls sie auf P^ von einem Winkel von weniger als etwa 1° auftreffen würde, wobei die Winkelmessung quer zu der optischen Aaö* Achse der Wanne in einer Richtung erfolgen würde, oder unter weniger als 11° aus der entgegen-* gesetzten Richtung.

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Die Verwendung von geraden oder im wesentlichen geraden Seitenwandelementen nach Fig. 4 würde zu einer Energieaufnahme aus Randwinkeln nur nach einer mehrfachen Reflexion führen. Infolge von Absorption an weniger als ideal reflektiferenden Flächen bedingt dies Energieverluste. Das obige Beispiel wird in Fig. 7 schematisch dargestellt»

Erfindungsgemäße Sammelwannen haben vorzugsweise glatt verlaufende kurvenförmige Seitenwände. Es wird jedoch daran gedacht, daß sich gewisse wirtschaftliche Vorteile bei der Fertigung bei Verwendung von Wänden ergeben könnten, die aus einem oder mehreren Segmenten bestehen, die sich in der Profilkurve als gerade Linien darstellen würden.

Es wird auch daran 4& gedacht, daß Raumbeschränkungen eine spezielle Nützlichkeit für ^MHalbwannen"-Konstruktionen ergeben könnten, wie sie durch die Figuren 9 und 10 für eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt werden. Hier enthält der Wannenkörper 15 eine Eingangs- und eine Austrittsö-ffnung 16 bzw, 17, Ebenso enthält er ein sich nach innen verjüngendes Seitenwandelement 18, ein gerades Seitenwandelement 19 und vorzugsweise Endwandelemente 20, 20, Die Innenwandflächen 18a, 19a und 20a würden die Strahlungsenergie reflektieren. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die bei der Fertigung beibehaltenen Abmessungsverhältnisse ähnlich denen, wie sie bei der Konstruktion der in den- Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform verwendet werden. Es treten nur die erwarteten Abänderungen auf. Dieses heißt, daß die Eintritts- und die Austrittsöffnung die halbe Quererstreckung aufweisen, der halbe Blickfeldwinkel ist der gleiche, die länge ist die gleiche, die reflektierende Fläche 19a des Wandelementes 19 liegt dort, was man die optische Achse einer "Vollwanne" nennen könnte, der Brennpunkt der parabolischen Kurve der Seitenwand 18 liegt dort, wo die gegenüberliegende Kante der Austrittsöffnung für eine "Vollwanne" (in Phantomlinien dargestellt) liegen würde, die Achse der Parabel würde mit der optischen Achse, einen Winkel einschließen, der gleich dem halben Blickfeld ist, und das durchschnittliche Aufnahmefeld würde ein elliptischer Konus sein, der sich im Querschnitt für einen unendlich langen Sammler einem un-

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- 12 endlich langen rechteckförmigen Streifen annähern würde,

Fig. 8 zeigt im Querschnitt einen .Tandemwannenkollektor, der bei den nachstehend noch zu beschreibenden Umständen größere Konzentrationsfaktoren als eine einfache Wanne bietet. In der dargestellten Ausführungsform ist eine erste Wanne 21 mit Eingangsund Ausgangsöffnungen 22 und 23 wie auch mit Seitenwandelementen 24, 24 mit Energie reflektierenden Innenseiten 24a, 24a vorgesehen. An die Ausgangsöffnung 23 schließt sich eine zweite Wanne 25 mit einer Eingangsöffnung 26 an. Deren Quererstreckung ist gleich der Quererstreckung der Öffnung 23. Weiter sind eine Ausgangsöffnung 27 und Seitenwandelemente 28, 28 mit Energie reflektierenden Innenseiten 28a, 28a vorgesehen. Die Wanne 21 ist mit einem Medium mit einem Brechungsindex n^ gefüllt (zum Beispiel Luft, die einen Brechungsindex von annähernd 1,0 aufweist). Die Wanne 25 ist mit einem Material mit einem Brechungsindex n₂ gefüllt. n₂ ist größer als n^. Die Füllung besteht zum Beispiel aus Lucit, das einen Brechungsindex von annähernd 1,5 aufweist.

Bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 8 sei bemerkt, daß ein Energiekonzentrator von der Art des in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Sammlers teilweise so arbeitet, daß er die Energie von innerhalb des Aufnahmefeldes des Sammlers zur Ausgangsöffnung reflektiert. In der Praxis wird eine bestimmte Energiemenge die Ausgangsöffnung unmittelbar unter einem Winkel parallel zu der optischen Achse des Sammlers erreichen, während am entgegengesetzten Ende einige Energie die Ebene der Ausgangsöffnung unter einem streifenden Winkel von nahezu 90° erreichen wird. Zur weiteren Konzentration dieser Energie in Richtung auf ein Tandem erfordert die zweite Austrittsöffnung des Sammlers, daß sowohl die Brechungseigenschaften eines Mediums einen größeren Brechungsindex als die. Füllung des ersten Sammlers aufweisen und einen Winkel für das Aufnahmefeld des zweiten Sammlers, das gleich dem kritischen Winkel von dessen Medium ist. Unter Berücksichtigung dieser Tatbestände wird die Arbeitsweise eines Tandemkollektors am besten durch eine Betrachtung des folgenden hypothetischen Beispiels deutlich,

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- 13 BEISPIEL II

Es sei angenommen, daß man Strahlungsenergie auf die in Längsrichtung verlaufende fotoelektrische Oberfläche eines Instrumentes mit einer QuererStreckung d, von einem Zoll konzentrieren wolle. Es sei weiter angenommen, daß man Energie aus einem W winkelförmigen Aufnahmefeld mit einem Halbwinkel von 16° konzentrieren will. Zum Erzielen dieses Ergebnisses wird man einen einzigen Wannensammler der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Art konstruieren und mit einem Medium mit einem Brechungsindex 1 füllen. Da die Länge der Ausgangsöffnung einen Zoll beträgt und der gewünschte maximale Aufnahmewinkel bei 16° liegt, lassen sich die Quererstreckung der EintrittsÖffnung und die Gesamthöhe der Wanne aus den vorstehend beschriebenen Beziehungen ableiten, das heißt, daß das Verhältnis der QuererStreckung der AustrittsÖffnung zu der Erstreckung der Eintrittsöffnung gleich dem Sinus des halben Blickfeldes ist (welches für den Sammler nach den Figuren 1 bis gleich dem maximalen Aufnahmewinkel ist) und daß die Gesamthöhe des Sammlers gleich der halben Summe der Quereetrstreckungen der Eintritts- und Ausgangsöffnung ist multipliziert mit dem Cotangens des halben Blickfeldes· Die QuererStreckung der Eingangsöffnung würde damit 3»6 Zoll betragen. Der Konzentrationsfaktor des Sammlers wäre damit 3,

Stattdessen könnte man auch einen Tandem-Wannensammler nach Fig. 8 konstruieren, bei dem die erste Wanne 21 mit einem Medium mit einem Brechungsindex n^ von 1 gefüllt wäre, und die zweite Wanne 26 wäre mit einem zweiten Medium mit einem Brechungsindex η« von 1,5 gefüllt, und die fotoelektrische Oberfläche befände sich mit dem zweiten Medium in optischem Kontakt. Der maximale Aufnahmewinkel (kritischer Winkel) für die Wanne 25 würde dem umgekehrten Sinus des Brechungsindex des die Wanne 21 füllenden Mediums entsprechen dividiert durch den Brechungsindex des die Wanne 26 füllenden Mediums, das heißt Q_mov = arc Sinus ω_λ/ϊι_ο = arc Sinus 1/1,5 = arc Sinus · 0,6666 = 42 · Die gegebene Abmessung d^ der Austrittsöffnung 27 wäre gleich 1 Zoll und der maximale Aufnahme winkel wäre gleich 42°. dp, die Quererstreckung der Eintrittsöff nung 26, wäre gleich 1,5 Zoll und die Gesamthöhe wäre 1,4 Zoll.

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Da bei der Wanne 21 die Austrittsöffnung 23 eine Quererstreckung von 1,5 Zoll hat und der gewünschte maximale Aufnahmewinkel gleich 16° ist, würde die Quererstreckung d^ der Eingangsöffnung 22 5,4 Zoll und die Gesamthöhe 12 Zoll betragen» Die durch die Wanne 21 erzielte Konzentration würde einen Faktor 3,6 ausmachen und die Konzentration der gesamten Tandemanordnung würde 1,5 mal 3,6 oder 5,4 betragen.

Schließlich sei noch bemerkt, daß sich annähernd die gleiche Konzentration bei Verwendung eines einzigen Sammlers in optischem Kontakt mit Luft (n^ anänähernd 1) an der Eintrittsöffnung erreichen läßt, wobei der Sammler jedoch mit einem Medium mit n₂ = 1,5 und θ „. = 10,6 gefüllt sein muß und die anderen Abmessungen den oben beschriebenen Beziehungen entsprechen sollten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden Anordnungen zum Sammeln von Sonnenenergie vorgeschlagen, die Kollektor-Konzentratoren für Strahlungsenergie wie oben beschrieben enthalten. Die natürliche Attraktivität der unmittelbaren Verwendung von Sonnenlicht zum Befriedigen der menschlichen Energiebedürfnisse hat eine intensive Forschung für praktische Sonnenenergiesysteme motiviert. Bei den meisten dieser Systeme muß das Sonnenlicht zum Erreichen von hohen Temperaturen mindestens um eine Größenordnung konzentriert werden. Im Prinzip bietet dies keine Schwierigkeiten, da die Sonnenstrahlen ziemlich p^allel verlaufen (der Halbwinkel Q_B der Sonnenscheibe beträgt nur ungefähr 0,25°), vorausgesetzt, daß man die Sonnenstellung am Himmel mit einer θ_ vergleichbaren Genauigkeit verfolgt. Da eine Bahnverfolgung mit dieser Genauigkeit ungeheuerliche technische Probleme stellt, ist es klar, daß sich ein enormer Vorteil erreichen ließe, falls die gewünschte Konzentration mit einem relativ ortsfesten Sammler erreichbar wäre, das heißt einem Sammler, der nur wenig oder keine tägliche Bewegung erfordert. Diese Möglichkeit war in der Tat schon in Tabor, infra, untersucht worden und die von ihnen gegebene unbefriedigende Schlußfolgerung lag darin, daß die mit einem ortsfesten Sammler maximal mögliche Konzentration bei 3 oder 4 liegt. Dieses Ergebnis ist bis heute allgemein angenommen worden. Die Analyse von Tabor stützte sich jedoch auf übliche Bild bildende

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Linsensysteme und vordatierte die jüngeren Entwicklungen des Erfinders, der darlegte, daß Anordnungen, die Licht zwar sammeln, aber keine Bilder bilden, größere Konzentrationen als Bild bildende Anordnungen ermöglichen«

Da es erwünscht ist, die Sonnenstrahlung mit bodengestützten Sammlern zu konzentrieren, erscheint es für die Zwecke der Diskussion der Probleme der Sonnenbahn-Verfolgung als wünschenswert, eine Ptolomäische Beschreibung der Sonnenbewegung am Himmel einzuführen. Mit ausreichender Annäherung.lägt sich die scheinbare Sonnenbewegung bei Betrachtung von einem festen Punkt auf der Erde mit dem in Fig, 12 gezeigten Konus beschreiben. In dieser Figur liegt die X-Achse in der Nordrichtung, die Y-Achse in der Westrichtung und die Z-Achse in der Vertikalen. Die Achse des Konus ist in der X-Z-Ebene um einen Winkel X geneigt, der die Länge darstellt. Der Öffnungswinkel 3£ des Konus ist der Winkel zwischen der Drehachse der Erde und der Erd-Sonnenverbindung. Da die Erdachse unter einem Winkel von annähernd 23,5° gegenüber der normalen Ebene der Bahn geneigt ist, schwankt dieser Winkel im Verlauf eines Jahres zwischen 66,5 und 113»5°. Ausgenommen zur Tat- und Nachtgleiche, wenn $C = 90° ist und die Sonne scheinebar einen Großkreis beschreibt, auf dem die Sonne in der Vertikalen weder steigt noch fällt, ist das Problem des Sammelnd von Sonnenlicht nicht trivial und wird bei Sonnenwende (ö( = 90° i 23,5°) sehr drängend. Das Sammeln von Sonnenlicht und dessen Konzentration um hohe Faktoren zum Zeitpunkt der Sonnenwende während - eines angwemessenen Tagesabschnittes, zum Beispiel 6 bis 8 Stunden, können als die fundamentalen Probleme der Sonnenlichtsammlung angesehen werden. Dies liegt daran, daß der scheinbare Anstieg oder Abfall in der Vertikalen in diesen Zeiträumen eine Verfolgung oder Bahnverfolgung der Sonenscheibe nach oben um etwa 12° innerhalb von drei oder vier Stunden vor dem Erreichen des Zeniths oder der Mittagsstellung verlangt und das Bahnverfolgen nach unten um weitere etwa 12° innerhalb von drei oder vier Stunden nach dem Erreichen der Mittagsstellung, Offensichtlich würde ein stationärer Sammler, der direkte Sonnenstrahlung während der Periode der oben erwähnten i 12° Auslenkung während der Zeit vor und nach dem Erreichen der Mittagsstellung empfangen würde und der weiter

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hohe Konzentrationen zuließe, annähernd das Ideal der Sonnenenergiesammlung darstellen. Das Ausmaß, bis zu dem sich erfindungsgemäße Sammler diesem Ideal nähern, wird im folgenden beschrieben.

Die Aufnahme eines in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Sammlers kann beschrieben werden unter Verwendung der Kosinusse KX, KY, KZ (siehe Fig. 14) der optischen Richtung, wobei K bei konstantem Brechungsindex als die Einheitsrichtung eines Energiestrahles angesehen werden kann. KX und KY werden richtige Hamilton¹sehe Variablen, die X und Y zugeordnet sind, wenn die. Lichtstrahlbahnen mit den Parametern Z versehen werden. Z wird hier entlang der optischen Achse des Kollektors gemessen. Damit werden die Gleichungen erfüllt:

/ dXdY dKXdKY
Z= konstant

Bei der Ableitung der Aufnahme solcher Wannensammler in der KX- und KY-Ebene verhalten die sich auf eine konstante Y-Ebene projizierten Strahlbahnen als ob der Sammler zweidimensional wäre, so daß:

KX²/(KX² + KZ²) ^ Sin²9_max

jedoch

KX² + KY² + KZ² = 1, so daß
KX²/(1 - KY²) < Sin²

1 - KY

KX²/Sin²e_max + KY²

Die Aufnahme füllt damit eine Ellipse mit einer kleinen Halbachse von Sin»

stellt.

von Sine____ und einer großen Halbachse 1, wie in Fig. 14 darge-

niet. Jv

An dieser Stelle sei daran erinnert, daß der Sammler um einen

ler cosec 9_max k

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Faktor von i/SinQ___v oder cosec θ___. konzentriert.

-■ 17 -

Leicht läßt sich zeigen, daß die scheinbare Bewegung der Sonne in der KX-KY-Ebene auch eine Ellipse ist. Ein bequemer Weg zur Veranschaulichung dieses Tatbestandes liegt in einer erneuten Betrachtung von Fig. 12 und der Annahme, daß der Zenith (höchster Punkt der Sonne am Himmel oder der Mittag) in der Z'-Richtung liegt und die Y¹-Richtung wie zuvor als B Westen angenommen wird. (Siehe Fig. 13!)

Einleuchtend folgt hieraus, daß die Projektion des Konus in der X¹, Y¹ Ebene eine Ellipse ist und

- Sin 2**, < KX' ^ 0

- Sin* ^ KY¹ ^ Sind , KY¹ = KY

oder, in Ausdrücken von T = 1f/2 -dt- , -Sin 2T =£ KX¹ ^ 0, - cosT ^KY¹ < cosT. Da die kleinere Halbachse = a =1/2 Sin2* =1/2 Sin2T und die größere Halbachse = b = Sinc( = cosT.

Fig. 15 zeigt die von der Sonne bei einer.Sonnenwende beschriebene Bahn. Dies ist die für eine EnergieSammlung schwierigste Periode. In die gleiche Periode ist die Aufnahme eines Sin9____ =

IUcIjC

0,1 Sammlers aufgenommen worden, der das Sonnenlicht um den Faktor 10 konzentriert. Selbstverständlich nimmt ein solcher Sammler bei Sonnenwende das meiste des nutzbaren Tages (7 bis 8 h) auf. Strenger genommen muß man die Z'-Achse so wählen, daß ihr Ursprung in der KX', KY¹ Ebene im Mittelpunkt der Sammlerellipse liegt. Für die Sonnenellipse findet man dann:

- Sin (2T +■ ö_max) =£ KX' ^ Sin ö_max,

- CosT ^ KY' ^ CosT

damit ist a = i/2/5in(2T + 9_max) + SinQ_max_7 b = cosT

Mit Einführen eines Phasenwinkels 0 für die Sonnenellipse, wobei 0 = 2ΤΓ (= 360°) dem 24 Stunden Tag entspricht, findet man am Schnittpunkt der beiden Ellipsen:

i:

- 18 -Cos0 =

Die angenommene Tageslichtstundenzahl ist damit gegeben durch: Anzahl der Stunden = 2(0/2 ) (24) = (0/ ) (24),

wobei sich der Faktor 2 aus der Tatsache ergibt, daß Cos0 in 0 gleich ist. Die nachstehende Tabelle I gibt annähernd die Anzahl der angenommenen Stunden pro Tag für einen Sammler mit θ =6° (Konzentrationsfaktor 9,6) im Verlauf eines Jahres bei einer angenommenen punktförmigen Sonne wieder.

TABELLE I · Jahreszeit 2T Cos 0 0 aufgenommene Stunden pro Tag

Tag- und 0 (volle Sonnenellipse angenommen) Nachtgleiche volles Tageslicht

15° 0,37 68° 9

30° 0,57 55° 7,4

Sonnenwnede 47° 0,61 52,4° 7,0

Über das Jahr gemittelt führt dies zu etwa acht Stunden aufgefangenes Sonnenlicht. Bei θ,,,.^ = 7° (Konzentrationsfaktor 8,2) kann

max

man einen Durchschnittstag von etwa neun Stunden Sonnenlicht erzielen.

Die Verwendung eines Konzentrators nach Fig. 8, der die Tandem-Sammler enthält, bei dem n^ gleich 1 und n₂ etwa 1,5 ist, führt zu Konzentrationsfaktoren in der Größenordnung von 12 bis 15.

Die nachstehende Tabelle II zeigt nun die ungefähren Konzentrationsfaktoren für Sammler mit 9„__v innerhalb des Bereiches von

η Α ΙΠ3.Χ

1/2 bis 7 zusammen mit der ungefähren Gesamtstundenzahl von Sonnenlicht, das sich bei Sonnenwende (2T= 47°) bei angenommenermaßen punktförmiger Sonne aufsammeln läßt.

η q «j ο £> / η £

- 19 TABELLE II

max	2T	Cos0	0	Konzentrations faktor	aufgenommene Stunden
7°	47°	0,567	55,5	8,2	7,4
6°	47°	0,610	52,4	9,6	7,0
5°	47°	0,657	48,9	11,4	6,5
4°	47°	0,709	44,8	■ 14,3 -	6,0
3°	47°	0,769	39,8	19,1	5,3
2°	47°	0,835	33,4	28,6	4,4
1°	47°	0,912	24,2	57,3	3,2
1/2°	47°	0,954	17,4	114,6	2,3

Aus obigem läßt sich entnehmen, daß bei Abnahme des Aufnahmewinkels des Sammlers der Konzentrationsfaktor ansteigt, und daß die Anzahl von Sonnenlicht stunden,, die aufgenommen werden können, bei Sonnenwende abnimmt. Diese Eigenschaft führt zur Flexibilität bei der Sammlung von Sonnenenergie und paßt sich an die Erfo^Lernisee einer vorhandenen Umgebung oder eines vorgegebenen Verwendungsschemas an. Bei Bedarf an hohen Temperaturen wird vorzugsweise ein kleiner Aufnahmewinkel zum Erzielen einer hohen Konzentration verwendet, obwohl bei Sonnenwende ohne tägliche Bewegung eine geringere Anzahl von Sonnenlichtstunden aufgenommen werden mag. Alternativ mag es erwünscht sein, mit geringerer Konzentration während einer längeren durchschnittlichen Zeitperiode Sonnenlicht aufzugfangen und in diesem Fall wird ein größerer Aufnahmewinkel vorgezogen.

Es sei noch bemerkt, daß Änderungen in der Profilkurve der Kollektorseitenwände mit Abweichungen von der in Fig. 3 gezeigten Art Veranlassung geben können zu einer geringeren, wenn auch noch vorteilhaften Konzentrationsfähigkeit für einen gegebenen Aufnahmewinkel und/oder geringeren, wenn auch noch vorteilhaften Zeitspannen zur Aufnahme von direktem Sonnenlicht bei Sonnenwende und/oder zu einer geringeren, wenn auch noch vorteilhaften totalen EnergieSammlung infolge von Verlusten durch Vielfachreflekxionen.

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Die Figuren 11 und 16 zeigen Sonnenenergie-Sammelvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die im allgemeinen ein oder mehrere Kollektor-Konzentratorwannen gemäß der Darstellung in den Figuren 1 bis 3 und eine Sonnenenergiefalle enthalten. Im vorliegenden Zusammenhang wird mit dem Ausdruck "Falle" eine Einrichtung bezeichnet, die die Fähigkeit zur Aufnahme von Strahlungsenergie unterschiedlicher Wellenlängen entweder zur unmittelbaren Verwendung dieser Energie oder als eine Zwischenstufe dieser Verwendung enthält. Als solcher bezieht sich dieser Ausdruck damit, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, auf unmittelbare Anwendungsvorrichtungen wie fotoelektrische und thermoelektrische Zellen wie auch auf einfache "schwarzer Körper"-^-Öffnungen und verschiedene Hohlraumkonstruktionen, wie sie in der Veröffentlichung der National Science Foundation NSF/RANN/SE/G1-34871/PR/72/4 beschrieben sind.

Fig. 11 zeigt einen einfachen Sonnenenergiesammler 29 mit einem Kollektor-Konzentrator 30 gemäß der Darstellung in den Figuren 1 bis 3» der angrenzend an seine Austrittsöffnung 31 einen allgemein zylinderförmigen Energie aufnehmenden Körper 32 mit einem in diesem angeordneten koaxialen Rohr 33 aufweist. Das Rohr 33 kann zum Beispiel ein Medium enthalten. Dieses wird durch die durch den Konzentrator 30 in den Zylinder 31 übertragene Energie aufgeheizt. Es wird vorgeschlagen, daß sich der Kollektor 29 mit seiner Längsrichtung in einer West-Ost-Achse erstrecken soll und daß nicht dargestellte geeignete Einrichtungen verwendet werden, um den Konzentrator 30 und den Zylinder 31 zur jahreszeitlichen Verfolgung der Sonnenbewegung ohne Störung der Orientierung des Rohres 33 drehen.

Fig. 16 zeigt einen Sonnenenergiesammler 34 mit einer Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Wannen 35, die Kante an Kante in einem kastenförmigen Rahmenelement 36 angeordnet sind. In dem eingeschlossenen Raum 37 unterhalb der Wannen 35 befindet sich ein Spulenelement 38, in dem ein Medium «aa? zur Ausnutzung der durch die Wannen 35 in den Raum 37 eintretenden Wärmeenergie zirkulieren kann. Das Rahmenelement 36 wird mit den Wannen 35 vorzugsweise in Ost-West-Richtung angeordnet und der gesamte Rahmen

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kann zur jahreszeitlichen Verfolgung der Sonnenbewegung bewegt werden..

Man wird erkennen, daß es zur Erleichterung der Herstellung erwünscht sein mag, die inneren Seitenwandelemente der Wanne in der gezeigten Weise zu konstruierten, das heißt allgemein dreieckförmige Elemente 39 werden durch Extrusion (entweder von reflektierendem Material wie Aluminium, oder von einem Kunststoff material, das später mit einem reflektierenden Mat3?erial beschichtet wird) hergestellt, um damit Seitenwandflachen 35a für benachbarte Wannen zu bilden. Ein Film 40 aus einem -transparenten Material wie Glas kann über den Wannen 35 angeordnet werden, um damit die inneren Seitenwandflachen 35a der Wannen vor Staub und dergleichen zu schützten. Wegen der bekannten selektiven reflektierenden Eigenschaften (Grünhaus-Effekt) kann die Verwendung eines eisenfreien Glasfilmes besonders vorteilhaft sein für einen selektiven Schutz einer Rückstrahlung von Infrarotenergie durch Reflexion eines Teiles des zurückgestrahlten Infrarotlichtes zurück zu seiner Austrittsöffnung-Quelle.

Die Figuren 17 bis 19 zeigen Konzentrationsvorrichtungen, die nützlich seind beim Aufsammeln von Strahlungsenergie aus Feldern mit einem gegebenen Winkelmaß in einer und einem abweichenden Winkelmaß in anderer Richtung. Fig. 17 (im Querschnitt in Fig. 18 und in Fig. 3 gezeigt) zeigt zum Beispiel eine Wanne mit einer Form ähnlich der nach Fig. 2, wobei aber Endwandelemente 43_f 43 für eine bestimmte Strecke linear von der Eintrittsöffnung 44 verlaufen und sich dann in Richtung auf die Austrittsöffnung 45 einander annähern und dabei eine teilweise lineare und teilweise parabolische Profilkurve offenbaren (siehe Fig. 18). Fig. 19 (im Querschnitt in den Figuren 18 und 3 gezeigt) zeigt einen Sammler mit einer einem elliptischen Paraboloid analogen Form, ©e*» Er enthält aber parabolische Innenflächen, die durch die oben in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 gegebenen Beziehungen festgelegt sind.

Patentansprüche ; 509828/0667

Claims

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BERKEhCFtLD, Patentanwälte, Köln Anlage ' Aktenzeichen zur Eingabe vom 27. Ι)βΖΘΙΐΛ>ΘΓ 1974 VA. Name d. Anm. University Of ChlCagO PATENTANSPRÜCHE

1. Nicht Bild bildender Strahlungsenergiekonzentrator, gekenn- . ._y zeichnet durch

einen wannenförmigen Körper mit

einer in einer Längsrichtung verlaufenden Strahlungsenergie-Eintrittsöffnung mit ersten und zweiten durch den Querabstand d^ voneinander getrennten Kanten,

einer in Längsrichtung verlaufenden Strahlungsenergie-Austrittsöffnung, die der Eintrittsöffnung abgekehrt ist und erste und zweite durch den Querabstand d₂ voneinander getrennte Kanten aufweist, und

zwei symmetrisehen, im wesentlichen konkaven Strahlungsenergie reflektierenden und führenden Seitenwandeinrichtungen, die sich seitlich entsprechende Kanten der Öffnungen miteinander verbinden, wobei

das Verhältnis der Abstände dp zu d^ nicht geringer ist als der Sinus des"Aufnahmewinkels der Eintrittsöffnung, die Profilkurve jeder Wandeinrichtung eine Parabel ist, die als ihren Brennpunkt die gegenüberliegende Kante der Austrittsöffnung aufweist und als ihre Achse eine Linie enthält, die einen Winkel mit der optischen Achse des Körpers bildet, der dem Aufnahmewinkel gleich ist, und die Aufnahme des Körpers in Ausdrucken der Kosinusse der optischen Richtung dargestellt wird durch eine Ellipse mit einer kleinen Halbachse, die gleich dem Sinus des Aufnahmewinkels ist, und einer großen Halbachse gleich 1.

2. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die öffnungen trennende Abstand nicht mehr ist als die Summe von d^ und d₂ mulitpliziert mit dem Cotangens des Aufnahmewinkels.

3. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wannenendwände vorgesehen sind, die den Raum zwischen den

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Energie reflektierenden und führenden Seitenwandeinrichtungen umschließen.

4. Konzentrator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Endwände Strahlungsenergie reflektieren.

5. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ■ Wanne mit einem Medium mit einem Brechungsindex größer als 1 gefüllt ist und die' AufnahmeÖffnung mit einem Medium mit einem Brechungsindex geringer als der des die Wanne füllenden Mediums in optischem Kontakt steht.

6. Konzentrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an die Austrittsöffnung ein zweiter solcher vrannenförmiger Körper angeordnet ist und der die erste und zweite Kante der Eintrittsöffnung des zweiten wannenförmigen Körpers trennende Querabstand identisch mit dem Querabstand ist, der die erste und zweite Kante der_Austrittsöffnung trennt.

7. Konzentrator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne mit einem Medium mit einem vorgegebenen Brechungsindex gefüllt ist, die zweite Wanne mit einem Medium mit einem Brechungsindex gefüllt ist,· der größer ist als des die Wanne füllenden Mediums und der Aufnahmewinkel für in die zweite Wanne eintretende Energiestrahlen gleich dem umgekehrten Sinus des Verhältnisses des Brechungsindex des die erste Wanne füllenden Mediums zu dem Brechungsindex des die zweite Wanne füllenden Mediums ist.

8. Konzentrator nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch:

einen wannenförmigen Körper mit

einer in Längsrichtung verlaufenden Strahlungsenergie-Aufnahmeöffnung mit durch einen Querabstand d^ voneinander getrennten ersten und zweiten Kanten,

einer in Längsrichtung verlaufenden Strahlungsenergie-Austrittsöffnung, die der Eintrittskante gegenüberliegt,■mit einer ersten und einer von dieser durch einen Querabstand dp getrennten zweiten Kante und

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einer linearen Strahlungsenergie reflektierenden und führenden Seitenwandeinrichtung, die die sich seitlich entsprechenden ersten Kanten der Öffnungen miteinander verbindet, und

einer im wesentlichen konkaven, bogenförmigen, Strahlungsenergie reflektierenden und führenden Seitenwand, die die sich seitlich entsprechenden zweiten Kanten der Öffnungen miteinander verbinden, wobei

das Verhältnis der Abstände d«, zu dp nicht kleiner ist als der Sinus des Aufnahmewinkels der Eintrittsöffnung, die Profilkurve der gebogenen Wand eine Parabel ist, die als ihren Brennpunkt einen Punkt in der Ebene der Austrittsöffnung aufweist, die von der ersten Kante der Austrittsöffnung in einem Abstand gleich dp liegt, und die als ihre Achse eine Linie aufweist, die mit der optischen Achse des Körpers einen Winkel bildet, der gleich dem Aufnahmewinkel ist, und daß die Aufnahme des Körpers ausgedrückt in Ausdrücken der Koninusse der optischen Richtung dargestellt wird durch eine Ellipse mit einer kleinen Halbachse, die gleich ist dem Sinus des Aufnahmewinkels, und einer großen Halbachse gleich 1.

9. Konzentrator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der die Öffnungen trennende Abstand nicht mehr ist als eine Hälfte der Summe von d,. und dp multipliziert mit dem Cotangens des Aufnahmewinkels.

10. Konzentrator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Endwandeinrichtungen den Raum zwischen den Wandeinrichtungen einschließen.

11. Konzentrator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Endwandeinrichtungen Strahlungsenergie reflektieren.

12. Konzentrator nach Anspruch 1 bis 11, gekennzeichnet durch:

zwei in Längsrichtung verlaufende im wesentlichen parallele Wände mit im wesentlichen konkaven, sich gegenüberliegenden inneren Sonnenenergie reflektierenden Flächen,

wobei die Wände von einer Eintritts- zu einer Austrittsöffnung nach innen abfallen und die Austrittsöffnung eine

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kleinere QuererStreckung als die Eintrittsöffnung aufweist, die Abmessungen der Öffnungen und die Neigung der Wände a so geschaffen sind, daß das Aufnahmefeld des Konzentrators ein • Bogensegment von Koordinaten enthält, das gleich denjenigen ist, das durch die scheinbare Bewegung der Sonne innerhalb mindestens einer Stunde vor und nach Erreichen des Zenithes bei Sonnenwende ist, und

eine Sonnenenergiefalle an der Austrittsöffnung vorgesehen ist.

13. Konzentrator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der parallelen Wände quer verlaufende Sonnenenergie reflektierende Wände vorgesehen sind.

14. Konzentrator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilkurve jeder Wand eine Parabel ist, die als ihren Brennpunkt die gegenüberliegende Kante der Austrittsöffnung aufweist und als ihre Achse eine Linie, die mit der optischen Achse des Konzentrators einen Winkel bildet, der gleich ist dem Winkel des halben Bildfeldes des Konzentrators.

15. Konzentrator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß seine Höhe nicht mehr ist als eine Hälfte der Summe der Quererstreckungen der Eintritts- und AustrittsÖffnung multipliziert mit dem Cotangens des Winkels des halben Blickfeldes des Konzentrators.

16. Konzentrator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abmessungen der Austritts- zu der Eintrittsöffnung nicht weniger ist als der Sinus des halben Blickfeldes des Konzentrators.

17. Konzentrator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das halbe Blickfeld 6° beträgt.

18. Konzentrator nach Anspruch 1 bis 17, gekennzeichnet durch:

zwei in Längsrichtung verlaufende, im wesentlichen parallel Wände mit sich gegenüberliegenden inneren Sonnenenergie re-

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flektierenden Flächen, wobei

eine der Wände im wesentlichen konkav ist und von einer Eingangs- zu einer Austrittsöffnung nach innen abfällt und die andere der Wände von der Eintritts- zu der Austrittsöffnung im wesentlichen linear verläuft, die Austrittsöffnung eine geringere QuererStreckung als die Eintrittsöffnung aufweist, und die Abmessungen der Öffnungen und die Neigung der abfallenden Wand so gewählt sind, daß das Aufnahmefeld des Konzentrators ein Bogensegment aus Koordinaten einschlie ßt, das gleich demjenigen ist, das durch die scheinbare Bewegung der Sonne innerhalb mindestens einer Stunde vor und nach dem Erreichen des Zenithes bei Sonnenwende ist, und

an der Austrittsöffnung eine Sonnenenergiefalle angeordnet ist.

19. Konzentrator nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch quer verlaufende Sonnenenergie reflektierende Wände an den Enden der parallelen Wände.

20. Konzentrator nach-Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilkurve der abfallenden Wand eine Parabel ist, die als ihren Brennpunkt einen Punkt in der Ebene der Austrittsöffnung aufweist, und zwar in einem AbsisKand von der linear verlaufenden Wand der Kante der Austrittsöffnung, der gleich ist der Quererstreckung der Austrittsöffnung, und die als ihre Achse eine Linie aufweist, die mit der optischen Achse des Konzentrators einen Winkel bildet, der gleich ist dem Winkel des halben Blickfeldes des Konzentrators.

21. Konzentrator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Sammlers nicht mehr ist als eine Hälfte der Summe der Quererstreckungen dera? Eintritts- und Austrittsöffnung multipliziert mit dem Cotangens des Winkels des halben Blickfeldes des Konzentrators.

22. Konzentrator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abmessungen der Austrittsöffnung zu der Eintrittsöffnung nicht unter dem Sinus des halben Blickfeldes des

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- 27 Konzentrators ist.

23. Konzentrator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das -halbe Blickfeld 6° beträgt.

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