DE19680448B4 - Reflector device for a solar collector - Google Patents

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Abstract

Reflektorvorrichtung für einen Sonnenkollektor mit einem rinnenförmigen, in der Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung etwa parabolischen Primärspiegel (2), der die einfallende Strahlung auf eine in Längsrichtung des Primärspiegels (2) verlaufenden etwa zylinderförmigen Absorber (3) umlenkt, und mit einem aus zwei zueinander symmetrischen rechten und linken Reflektorflügeln bestehenden Sekundärreflektor (5), der die vom Primärspiegel (2) reflektierte Strahlung auf den Absorber (3) reflektiert, wobei
in einer Betrachtungsebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung jeder Flügel des Sekundärreflektors (5) zumindest in einem Teilabschnitt eine Involute zum Absorber (3) und der Anfangspunkt der rechten Involute der Schnittpunkt der optischen Achse (A) mit der dem Primärspiegel (2) abgewandten Absorberwandung ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Mittelpunkt des Absorbers (3) auf der optischen Achse (A) des Primärspiegels (2) und zwischen dem Fokus (F) des Primärspiegels (2) und dem Primärspiegel (2) derart angeordnet ist, daß
a) ein in der Betrachtungsebene liegender innerer Randstrahl (4b) vom Rand (2a) des...Reflector device for a solar collector with a channel-shaped, in the plane perpendicular to the extension direction approximately parabolic primary mirror (2), which deflects the incident radiation to a longitudinal direction of the primary mirror (2) extending approximately cylindrical absorber (3), and with one of two mutually symmetrical Right and left reflector wings existing secondary reflector (5), which reflects the reflected radiation from the primary mirror (2) on the absorber (3), wherein
in a viewing plane perpendicular to the extension direction each wing of the secondary reflector (5) is at least in one section an involute to the absorber (3) and the starting point of the right involute the intersection of the optical axis (A) with the absorber wall facing away from the primary mirror (2),
characterized in that
the center of the absorber (3) is arranged on the optical axis (A) of the primary mirror (2) and between the focus (F) of the primary mirror (2) and the primary mirror (2) such that
a) a lying in the plane of observation inner edge beam (4b) from the edge (2a) of the ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Reflektorvorrichtung für einen Sonnenkollektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a reflector device for a solar collector according to the preamble of claim 1

Sonnenkollektoren der genannten Art dienen im allgemeinen dazu, die Strahlung der Sonne über einen parabolischen Umlenkspiegel auf einen Absorber zu richten, der die empfangene Energie entweder thermisch durch Aufheizung eines den Absorber durchströmenden Mediums oder photovoltaisch durch unmittelbare Umwandlung in elektrische Energie nutzt. Die Kollektoren sind dabei rinnenförmig ausgebildet, da somit eine technisch einfache einachsige Nachführung der Kollektoren gegenüber der scheinbar bewegten Sonne möglich ist. Darüber hinaus sind der Umlenkspiegel und der Absorber ebenfalls relativ einfach zu bauen. Üblicherweise sind dabei der parabolischen Umlenkspiegel und der Absorber derart aufeinander abgestimmt, daß der von der Sonne kommende Lichtkegel in jedem Punkt des Umlenkspiegels gerade auf den im Fokus des Umlenkspiegels liegenden Absorber trifft. Hat der Absorber einen größeren Durchmesser, gibt es unnötige Abstrahlverluste, ist er zu klein, geht ein Teil der Strahlung ungenutzt verloren.solar panels of the type mentioned serve in general, the radiation of the Sun over one To direct parabolic deflecting mirror on an absorber, the received energy either thermally by heating a Absorber flowing through Medium or photovoltaic by direct conversion into electrical Uses energy. The collectors are channel-shaped, Thus, a technically simple uniaxial tracking of Opposite collectors the seemingly moving sun possible is. About that In addition, the deflection mirror and the absorber are also relative easy to build. Usually are the parabolic deflecting mirror and the absorber like that coordinated that the from the sun coming light cone in each point of the deflection mirror just hits the absorber lying in the focus of the deflection mirror. If the absorber has a larger diameter, there are unnecessary radiation losses, if it is too small, part of the radiation is lost unused.

Einachsig nachgeführte, konzentrierende Sonnenkollektoren können, wie bereits erwähnt, im Vergleich zu zweiachsig nachgeführten Kollektoren vergleichsweise einfach der Sonne folgen. Jedoch ist die erreichbare Konzentration kleiner; folglich ist es bei Verwendung der einachsigen Konzentration besonders wichtig, dem erreichbaren Konzentrationsfaktor nahezukommen. Anordnungen mit einem (parabolischen) Primärspiegel und einem zylindrischen Absorber liegen jedoch, wie weiter unten ausgeführt, in der Konzentration deutlich unter der theoretisch möglichen Obergrenze. Durch eine Erhöhung der Konzentration kann ein kleinerer Absorber verwendet werden. Unmittelbare Vorteile daraus sind die Verringerung thermischer Verluste, die Verringerung der Kosten für Absorber- oder Photovoltaik-Oberfläche bzw. Wärmeträgermedium, und die Verringerung der Trägheit durch das Wärmeträgermedium.uniaxial tracked, Concentrating solar panels can, as already mentioned, in comparison tracked to biaxial Collectors comparatively easy to follow the sun. However, that is achievable concentration smaller; therefore, it is in use Of uniaxial concentration particularly important, achievable Close to concentration factor. Arrangements with a (parabolic) primary mirror and a cylindrical absorber, however, are as below executed, in the concentration clearly below the theoretically possible Upper limit. By an increase the concentration can be a smaller absorber can be used. Immediate benefits of this are the reduction of thermal losses, the reduction of costs for Absorber or photovoltaic surface or heat transfer medium, and the reduction of inertia through the heat transfer medium.

Aus der US-5 154 163 ist ein Sonnenkollektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, der zusätzlich zu dem genannten Umlenkspiegel einen Satz weiterer Umlenkspiegel, sogenannter Sekundärreflektoren, aufweist, welche die Aufgabe haben, das einfallende Licht weiter zu bündeln und auf einen im Durchmesser verkleinerten Absorber zu richten.Out US-5 154 163 is a solar collector according to the preamble of claim 1 known, in addition to the said deflecting mirror a set of further deflecting mirrors, so-called secondary reflectors, having the task of continuing the incident light to bundle and to direct to a reduced diameter absorber.

Der in der oben erwähnten Druckschrift beschriebene Sonnenkollektor verwendet einen Sekundärreflektor, der ein oder mehrere Parabolelemente (compound parabolic concentrator = CPC) umfaßt. Diesen Parabolelemente sind jeweils Involutenspiegelabschnitte nachgeordnet, um alle einfallende Strahlung auf den Absorber umzulenken. Dabei lassen sich hohe Konzentrationsfaktoren mit diesem Konzept nur mit komplizierter Geometrie realisieren; es müssen mehrere verschieden gekrümmte Spiegel verwendet werden; und die mittlere Anzahl an Reflexionen ist hoch. Letzteres führt im allgemeinen zu hohen Verlusten durch nichtperfekte Reflexion. Beispielsweise sind bei der Ausführung mit 6 CPS's, welche die höchsten Konzentrationsfaktoren erreicht, 12 zusätzliche Parabolspiegel, weitere 8 Involutenspiegel sowie Lichtleiterspiegel erforderlich.Of the in the above mentioned Publication described solar collector uses a secondary reflector, the one or more parabolic elements (compound parabolic concentrator = CPC). this Parabolic elements are each subordinate to involute mirror sections, to redirect all incident radiation to the absorber. there high concentration factors can only be combined with this concept realize complicated geometry; several differently curved mirrors must be used become; and the mean number of reflections is high. The latter leads in the generally too high losses due to imperfect reflection. For example are in the execution with 6 CPS's which the highest Concentration factors reached, 12 additional parabolic levels, more 8 Involute levels and optical fiber levels required.

In "D.R. Mills and J.E. Giutronich. Asymmetric non-imaging cylindrical solar concentrators. Solar Energy, 20: Seite 45–55, 1978" werden nur geringe Konzentrationen (C<10) erreicht. Bei der in "R. Winston and W.T. Welford. Design of nonimaging concentrators as second stages in tandem with image-forming first-stage concentrators. Applied Optics, 19:347-351, 1980" veröffentlichten Anordnung wird ein ebener Absorber betrachtet; die erreichte Konzentration mit einem CEC (Compound Elliptic Concentrator) als Sekundärkonzentrator ist angegeben als nur rund 1/3 des thermodynamisch möglichen Wertes.In D.R. Mills and J.E. Giutronich. Asymmetric non-imaging cylindrical solar concentrators. Solar Energy, 20: pages 45-55, 1978 "will only low concentrations (C <10) reached. When in "R. Winston and W.T. Welford. Design of nonimaging concentrators as second stages in tandem with image-forming first-stage concentrators. Applied Optics, 19: 347-351, 1980 " Arrangement is considered a planar absorber; the concentration achieved with a CEC (Compound Elliptic Concentrator) as a secondary concentrator is given as only about 1/3 of the thermodynamically possible value.

In "E.M. Kritchmann. Asymmetric second-stages concentrators. Applied Optics, 21: Seite 870–873, 1980" werden asymmetrische Konfigurationen diskutiert.In E.M. Kritchmann. Asymmetric second-stage concentrators. Applied Optics, 21: pages 870-873, 1980 "are asymmetric Configurations discussed.

Der in "Robert P. Friedman, J. M. Gordon, and H. Ries. New high-flux two-stage optical design for parabolic solar concentrators. Solar Energy, 51: Seite 317–325, 1993" beschriebene Sekundärkonzentrator ist für ebene Absorber konzipiert; für größere Öffnungswinkel θR des Primärreflektors ist die Konzentration konstruktionsbedingt begrenzt, z.B. kleiner als 8 für θR = 55°. Weitere Konzepte mit einer deutlich unter dem Erreichbaren liegenden Konzentration finden sich beispielsweise in US-4 505 260 und WO-A1-90/10182.The secondary concentrator described in Robert P. Friedman, JM Gordon, and H. Ries, New high-flux two-stage optical design for parabolic solar concentrators, Solar Energy, 51: pp. 317-325, 1993, is designed for planar absorbers; for larger opening angles θ R of the primary reflector, the concentration is limited by design, eg less than 8 for θ R = 55 °. Further concepts with a concentration clearly below the attainable can be found, for example, in US Pat. No. 4,505,260 and WO-A1-90 / 10182.

Ziel der beschriebenen Erfindung ist es, eine Reflektorvorrichtung für einen Sonnenkollektor mit einem möglichst hohen Konzentrationsfaktor mit technisch möglichst einfachen Mitteln zu schaffen; dabei soll eine möglichst niedrige mittlere Anzahl von Reflexionen erreicht werden.aim The invention described is to provide a reflector device for a Solar panel with one possible high concentration factor with technically simple means to create; while a possible low average number of reflections can be achieved.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention this Problem solved by the features specified in claim 1. advantageous Embodiments emerge from the subclaims.

Die Erfindung sowie deren Ausgestaltungen und Vorteile wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:The Invention as well as its embodiments and advantages will be below with reference to the attached Figures explained. Showing:

1: eine schematische Darstellung eines herkömmlichen rinnenförmigen Sonnenkollektors; 1 a schematic representation of a conventional trough-shaped solar collector;

2: eine schematische Darstellung einer Reflektorvorrichtung für einen Sonnenkollektor; 2 a schematic representation of a reflector device for a solar collector;

3: eine erfindungsgemäße Reflektorvorrichtung in proportionaler Darstellung; 3 : a reflector device according to the invention in a proportional representation;

4–11 verschiedene Absorber-Sekundärkollekor-Anordnungen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 4 - 11 various absorber secondary collection assemblies according to a first embodiment of the invention;

12 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform der Absorber-Sekundärkollekor-Anordnung Erfindung im Querschnitt. 12 a second embodiment of the invention Absorber Sekundärkollekor arrangement invention in cross section.

Die Konzentration von Sonnenstrahlung auf einen zylindrischen Absorber läßt sich durch einen Sekundärkonzentrator um einen Faktor C2 erhöhen. Aus grundsätzlichen Erhaltungsgrößen läßt sich der maximal mögliche Konzentrationsfaktor für einen Sekundärreflektor berechnen. Er beträgt

Figure 00030001
wobei θR der halbe Öffnungswinkel der Parabolrinne ist, d.h. der Winkel zwischen der Symmetrieachse und der Verbindungslinie zwischen dem Brennpunkt (Fokus) und dem äußersten Ende der Parabel.The concentration of solar radiation on a cylindrical absorber can be increased by a factor of C 2 by a secondary concentrator. From fundamental conservation quantities, the maximum possible concentration factor for a secondary reflector can be calculated. He is
Figure 00030001
where θ R is the half-opening angle of the parabolic trough, ie the angle between the axis of symmetry and the connecting line between the focal point (focus) and the extreme end of the parabola.

1 der beigefügten Zeichnungen zeigt einen Querschnitt durch einen rinnenartigen Sonnenkollektor 1 nach dem Stand der Technik mit einem parabolischen rinnenförmigen Primärreflektor 2, der einen zylindrischem Absorber 3 beleuchtet. Die Größe des Absorbers 3 ist derart, daß der Absorber 3 vom Ende 2a des Reflektors 2 unter dem gleichen halben Öffnungswinkel α gesehen wird wie die Sonne 4. In der Abbildung ist der Winkel α, und damit der Absorber 3, im Vergleich zum Primärreflektor 2 stark vergrößert dargestellt. In 1 ist neben dem Mittenstrahl des Sonnenkegels 4a ferner ein Randstrahl 4b gezeigt, der idealerweise vom Sonnenrand auf den Rand des Absorbers 3 gespiegelt wird. Der vom Reflektorende 2a auf den Absorber 3 auftreffende dargestellte Randstrahl 4b wird nachfolgend als rechter Randstrahl bezeichnet. 1 of the accompanying drawings shows a cross section through a channel-like solar collector 1 in the prior art with a parabolic trough-shaped primary reflector 2 , which is a cylindrical absorber 3 illuminated. The size of the absorber 3 is such that the absorber 3 from the end 2a of the reflector 2 is seen under the same half opening angle α as the sun 4 , In the figure, the angle is α, and thus the absorber 3 , compared to the primary reflector 2 shown greatly enlarged. In 1 is next to the center ray of the solar cone 4a also a marginal ray 4b shown, ideally from the sun's edge to the edge of the absorber 3 is mirrored. The from the reflector end 2a on the absorber 3 incident edge beam shown 4b is hereinafter referred to as the right edge beam.

Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, ist also in jedem Fall ein Konzentrationsfaktor größer als oder gleich π möglich. Dieser oben angegebene maximale Konzentrationsfaktor läßt sich allerdings aus theoretischen Gründen nur erreichen mit einem Sekundärreflektor, der sich bis hinunter auf die parabolische Rinne erstreckt. Selbstverständlich würde in einem solchem Extremfall der Sekundärkonzentrator den Parabolspiegel vollständig beschatten. Wird jedoch ein geringerer als der maximale Konzentrationsfaktor gewählt, so läßt dieser sich auch mit kleinen und kompakten Sekundärreflektoren erzielen.As is apparent from the above equation, so in any case a concentration factor greater than or equal to π possible. This However, the maximum concentration factor given above can be calculated theoretically establish only reach with a secondary reflector, which extends down to the parabolic gutter. Of course in one would In such extreme case, the secondary concentrator Parabolic mirror completely shade. Will, however, be less than the maximum concentration factor selected so lets this one to achieve even with small and compact secondary reflectors.

In 2 ist ein erfindungsgemäßer Sonnenkollektor 1 mit einem bezüglich des Primärspiegels 2 wiederum stark vergrößert dargestelltem Absorber 3 gezeigt, wobei darüber hinaus maßstäblich zum Absorber 3 die rechte Hälfte des erfindungsgemäßen Sekundärreflektors 5 zu erkennen ist. Die linke Hälfte des Sekundärreflektors ist nicht dargestellt, ist aber achsensymmetrisch geformt wie die dargestellte rechte Hälfte. In 3 ist ein vollkommen maßstäblicher Querschnitt durch den Sonnenkollektor 1 zu sehen, wobei die Größenverhältnisse zwischen Primärreflektor 2 und dem zweiflügeligen Sekundärreflektor 5 erkennbar sind.In 2 is a solar collector according to the invention 1 with respect to the primary mirror 2 Again, greatly enlarged shown absorber 3 beyond, being beyond that to the absorber 3 the right half of the secondary reflector according to the invention 5 can be seen. The left half of the secondary reflector is not shown, but is axially symmetrical shaped like the illustrated right half. In 3 is a fully scaled cross section through the solar panel 1 see, where the size ratios between primary reflector 2 and the double-wing secondary reflector 5 are recognizable.

Die Dimensionierung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschieht folgendermaßen:
Man beginnt den Entwurf eines Sekundärreflektors 5, indem man eine tatsächliche Konzentration C2 wählt, die etwas geringer ist als der in obiger Gleichung angegebene Maximalwert.The sizing of a first embodiment of the present invention is done as follows:
One begins the design of a secondary reflector 5 by choosing an actual concentration C 2 which is slightly less than the maximum value given in the above equation.

Der Radius des Absorberrohres 3 bei Anwendung eines Sekundärreflektors 5 ist also RA1/C2 (RA1 = Radius des in 2 gestrichelt dargestellten Absorberrohres 3a ohne Anwendung eines Sekundärreflektors). Man beginnt den Entwurf des Sekundärreflektors 5 dadurch, daß man zunächst die Lage des nunmehr verringerten Absorberrohres 3 festlegt.The radius of the absorber tube 3 when using a secondary reflector 5 So R A1 / C 2 (R A1 = radius of in 2 dashed shown absorber tube 3a without application of a secondary reflector). One starts the design of the secondary reflector 5 in that first the position of the now reduced absorber tube 3 sets.

In jedem Punkt des Primärreflektors 2 fallen die Sonnenstrahlen aus einem Kegel 4a mit einem Öffnungswinkel gleich dem Öffnungswinkel α der Sonne 4. Sie werden so reflektiert, daß der Zentralstrahl den Brennpunkt F des Primärreflektors 2 kreuzt. Dabei werden die beiden Randstrahlen 4b, 4c der Sonne 4 in einen Kegel um den Brennpunkt F reflektiert. Diese beiden Randstrahlen 4b, 4c stellen nun die Familie der Randstrahlen dar, auf die der Sekundärspiegel 5 ausgelegt bzw. maßgeschneidert wird. Die Lage des reduzierten Absorberrohres 3 wird nun so festlegt, daß der reduzierte Absorber 3 tangent zu den unteren Randstrahlen 4b der Sonne 4 aus den Endpunkten 2a des Parabolreflektors 2 ist, wie in 2 zu erkennen ist.In every point of the primary reflector 2 The sunbeams fall out of a cone 4a with an opening angle equal to the opening angle α of the sun 4 , They are reflected so that the central beam the focal point F of the primary reflector 2 crosses. The two marginal rays become 4b . 4c the sun 4 reflected in a cone around the focal point F. These two marginal rays 4b . 4c now represent the family of marginal rays to which the secondary mirror 5 designed or customized. The location of the reduced absorber tube 3 is now determined so that the reduced absorber 3 tangent to the lower marginal rays 4b the sun 4 from the endpoints 2a of the parabolic reflector 2 is how in 2 can be seen.

Hier und im folgenden sowie in den Patentansprüchen wird bei der Beschreibung der Geometrie des Sonnenkollektors 1 und des Sekundärreflektors im besonderen auf den in der Zeichenebene liegenden zweidimensionalen Raum Bezug genommen. Selbstverständlich handelt es sich jedoch bei allen Teilen um dreidimensionale Elemente, die sich in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene weiter erstrecken.Here and below and in the claims is in the description of the geometry of the solar collector 1 and the secondary reflector in particular to the two-dimensional space lying in the drawing plane. Of course, however, all parts are three-dimensional elements that extend further in the direction perpendicular to the plane of the drawing.

Im folgenden wird nun jeweils einer der beiden Randstrahlen 4b der Sonne 4 betrachtet. Auch wird nur angegeben, wie eine Seite des Sekundärreflektors 5 definiert wird. In 2 ist nur der rechte Flügel des Sekundärreflektor aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt. Selbstverständlich liegt links oberhalb des Absorbers 3 in 2 der linke, bezüglich der Achse A in der Darstellungsebene symmetrische andere Flügel des Sekundärreflektors 5. Die andere Seite ergibt sich aus Spiegelung um die optische Achse A und die Eigenschaften, welche für die eine Familie von Randstrahlen, z.B. der rechten Randstrahlen, festgelegt sind, gelten analog für die andere aus Symmetriegründen ebenfalls. Wir betrachten also im folgenden die Randstrahlen 4b, die vom linken Rand der Sonne 4 durch den Primärspiegel 2 reflektiert werden, so daß sie rechts am Brennpunkt F vorbeigehen. Die Lage des Absorberrohrs 3 ist so festgelegt, daß der Randstrahl vom linken Ende 2a des parabolischen Primärreflektors 2 gerade tangent zum unteren Ende des Absorbers 3 ist.In the following, one of the two marginal rays will now be used 4b the sun 4 considered. Also is only specified as one side of the secondary reflector 5 is defined. In 2 only the right wing of the secondary reflector is shown for reasons of clarity. Of course, left above the absorber 3 in 2 the left, relative to the axis A in the plane of representation symmetrical other wing of the secondary reflector 5 , The other side results from reflection about the optical axis A and the properties which are defined for one family of marginal rays, for example the right marginal rays, also apply analogously to the other one for reasons of symmetry. So in the following we consider the marginal rays 4b coming from the left edge of the sun 4 through the primary mirror 2 be reflected so that they pass right at the focal point F. The position of the absorber tube 3 is set so that the marginal ray from the left end 2a of the parabolic primary reflector 2 straight tangent to the lower end of the absorber 3 is.

In 2 ist der parabolische Primärreflektor 2, der Absorber 3 und der Sekundärspiegel 5 gezeigt. Ferner ist gestrichelt dargestellt die Größe eines notwendigen Absorbers 3a für den gezeigten Primärspiegel 2, falls kein Sekundärreflektor 5 vorhanden wäre. Dabei ist die erheblich geringere Größe des erfindungsgemäßen Absorbers 3 erkennbar.In 2 is the parabolic primary reflector 2 , the absorber 3 and the secondary mirror 5 shown. Furthermore, the size of a necessary absorber is shown in dashed lines 3a for the primary mirror shown 2 if no secondary reflector 5 would be present. In this case, the significantly smaller size of the absorber according to the invention 3 recognizable.

Der Sekundärreflektor bei der gezeigten Ausführungsform besteht aus einem ersten 51 und einem zweiten 52 Reflektorabschnitt, wobei der erste Reflektorabschnitt 51 als Involute zum Absorber 3 vom oberen Scheitel des Absorbers 3 bis zu einem Schnittpunkt U mit dem tangentialen Randstrahl eines Punktes P2, dessen Eigenschaften weiter unten erläutert werden. Der zweite Reflektorabschnitt ist derartig geformt, daß alle rechten Randstrahlen 4d, 4e aus Punkten jenseits von, d.h. in 2 rechts von P3, vom Sekundärreflektor 5 tangential zum Absorber 3 reflektiert werden (gestrichelte Linien 4d, 4e). Zur Verdeutlichung ist der Sonnenwinkel α in 1 und 2 sehr groß gewählt worden. 3 zeigt Primärreflektor 2 und Sekundärreflektor 5 zusammen in einer Abbildung für α = 0,4°, d.h. etwas größer als der tatsächliche Sonnenwinkel von 0,27°.The secondary reflector in the embodiment shown consists of a first 51 and a second one 52 Reflector portion, wherein the first reflector portion 51 as involute to the absorber 3 from the top of the absorber 3 up to an intersection point U with the tangential marginal ray of a point P 2 , the properties of which will be explained below. The second reflector portion is shaped such that all right edge rays 4d . 4e from points beyond, ie in 2 to the right of P 3 , from the secondary reflector 5 tangential to the absorber 3 be reflected (dashed lines 4d . 4e ). For clarification, the sun angle α in 1 and 2 been chosen very large. 3 shows primary reflector 2 and secondary reflector 5 together in a figure for α = 0.4 °, ie slightly larger than the actual sun angle of 0.27 °.

Abhängig von den bisher gewählten Parametern ergeben sich für die genaue Ausbildung des Sekundärreflektors und insbesondere des Übergangspunktes U zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektorabschnitt 51, 52 zwei Fallunterscheidungen:Depending on the previously selected parameters arise for the exact formation of the secondary reflector and in particular the transition point U between the first and the second reflector portion 51 . 52 two case distinctions:

Fallunterscheidung 1:Case distinction 1:

Es ist möglich, daß für Punkte gleich unterhalb des Punktes P1 am linken Rand 2a (also in der Zeichnung rechts davon) des Primärreflektors 2 die entsprechenden Randstrahlen den Absorber 3 schneiden (auf diesen nicht tangential auftreffen). Falls dieses der Fall ist, dann gibt es einen zweiten Punkt P2 auf dem Primärreflektor 2, mehr zum Scheitel desselben gelegen, welcher die Eigenschaft hat, daß der davon ausgehende Randstrahl 4f ebenfalls tangent zum Absorber 3 ist. Andernfalls sei P2 = P1.It is possible that for points just below the point P 1 at the left edge 2a (ie in the drawing to the right) of the primary reflector 2 the corresponding marginal rays the absorber 3 cut (do not hit this tangentially). If this is the case, then there is a second point P 2 on the primary reflector 2 located more to the vertex of it, which has the property that the marginal ray emanating from it 4f also tangent to the absorber 3 is. Otherwise, let P 2 = P 1 .

Der Sekundärreflektor 5 beginnt mit einem als Involute ausgebildeten ersten Reflektorabschnitt 51, der sich vom oberen Scheitelpunkt des Absorbers 5 so lange erstreckt, bis er den Randstrahl 4f aus diesem vorher genannten Punkt P2 schneidet. U ist der Schnittpunkt der Involute 51 mit dem Randstrahl aus P2 und damit der Übergangspunkt zwischen dem ersten Reflektorabschnitt 51 und dem zweiten Reflektorabschnitt 52.The secondary reflector 5 begins with a trained as Involute first reflector section 51 extending from the top vertex of the absorber 5 extends until it reaches the marginal ray 4f from this aforementioned point P 2 cuts. U is the intersection of the involute 51 with the edge beam of P 2 and thus the transition point between the first reflector section 51 and the second reflector portion 52 ,

Fallunterscheidung 2:Case distinction 2:

Es ist nun möglich, daß für Punkte auf dem Primärreflektor 2 rechts von P2 die dazugehörigen Randstrahlen links am Punkt U vorbeigehen, also auf den ersten Reflektorabschnitt 51 treffen. Falls dieses der Fall ist, so gibt es einen weiteren Punkt P3 rechts von P2 gelegen, mit der Eigenschaft, daß der dazugehörige Randstrahl 4g auch durch U geht. Andernfalls sei P3 = P2.It is now possible for points on the primary reflector 2 to the right of P 2, the corresponding marginal rays pass on the left at the point U, that is, on the first reflector section 51 to meet. If this is the case, there is another point P 3 located to the right of P 2 , with the property that the corresponding marginal ray 4g also goes through U. Otherwise, let P 3 = P 2 .

Nicht-abbildende Reflektoren lassen sich derart auslegen (maßschneidern), daß Randstrahlen einer bestimmten Menge auf Randstrahlen einer anderen Menge reflektiert werden.Non-imaging Reflectors can be interpreted (tailor made) so that marginal rays of a amount reflected on marginal rays of a different amount become.

Von dem Punkt U nach außen erstreckt sich der zweite (maßgeschneiderte) Reflektorabschnitt 52 des Sekundärreflektors 5, der derart geformt ist, daß jeweils die rechten Randstrahlen von Punkten des Primärreflektors 2 rechts von P3 auf den linken bzw. unteren Rand des Absorberrohres 3 reflektiert werden. Dies ist in 2 dargestellt. Das Ende des Sekundärreflektors 5 wird dann erreicht, wenn der dazugehörige Punkt auf dem Primärspiegel 2 den äußersten rechten Rand 2b erreicht hat.From the point U outwards extends the second (tailor-made) reflector section 52 of the secondary reflector 5 which is shaped such that in each case the right marginal rays of points of the primary reflector 2 to the right of P 3 on the left or lower edge of the absorber tube 3 be reflected. This is in 2 shown. The end of the secondary reflector 5 is reached when the corresponding point on the primary mirror 2 the far right edge 2 B has reached.

Durch die Konstruktion der linken Hälfte des Sekundärreflektors 5 ist gewährleistet, daß auch alle linken Randstrahlen der Sonne 4 auf den Absorber 3 treffen. Der linke Flügel des Sekundärreflektors 5 ergibt sich einfach durch Spiegelung an der optischen Achse A. Er gewährleistet analog, daß alle rechten Randstrahlen der Sonne 4 ebenfalls auf den Absorber 3 treffen. Da der gesamte Sekundärreflektor 5 somit dem Randstrahlenprin zip genügt, ist garantiert, daß alle Sonnenstrahlen (zwischen dem linken und rechten Rand) auf den Absorber 3 konzentriert werden.By constructing the left half of the secondary reflector 5 ensures that all left marginal rays of the sun 4 on the absorber 3 to meet. The left wing of the secondary reflector 5 is simply obtained by reflection on the optical axis A. It ensures analogously that all right marginal rays of the sun 4 also on the absorber 3 to meet. Because the entire secondary reflector 5 Thus, the Randstrahlprin zip is sufficient, it is guaranteed that all the sun's rays (between the left and right edge) on the absorber 3 be concentrated.

Die Form des Sekundärspiegels 5, die sich daraus ergibt, ist in den 3 bis 11 für verschiedene Werte von θR und C2/C2,max dargestellt. Der Scheitel des parabolischen Spiegel liegt in dieser Darstellung immer bei dem Punkt (0,–100). Die Form hängt empfindlich von den Werten von θR und C2 ab. Immer wurde der Sonnenwinkel α gleich 0,4° gewählt. In vielen Fällen entspricht diese Form nach außen hin nahezu einer Geraden.The shape of the secondary mirror 5 that results from that is in the 3 to 11 for different values of θ R and C 2 / C 2, max . The apex of the parabolic mirror lies in this Representation always at the point (0, -100). The shape depends sensitively on the values of θ R and C 2 . Always the sun angle α was chosen equal to 0.4 °. In many cases, this shape corresponds to the outside almost a straight line.

4 (θR = 30°, C2/C2,max = 0,7, C2 = 4.4) zeigt eine Situation, in der die Fallunterscheidungen P2 = P1 und P3 = P2 gewählt werden. In
5 (θR = 45°, C2/C2,max = 0,5, C2 = 2,22) und
6 (θR = 45°, C2/C2,max = 0,7, C2 = 3,11), ist P2 = P1, aber P3 ≠⁣ P2 zu wählen. Für die Abbildungen mit größerem θR,
7 (θR = 60°, C2/C2,max = 0,5, C2 = 1,81),
8 (θR = 60°, C2/C2,max = 0,7, C2 = 2,54),
9 (θR = 90°, C2/C2,max = 0,5, C2 = 1,57),
10 (θR = 90°, C2/C2,max = 0,7, C2 = 2,2 ), und
11 (θR = 120°, C2/C2,max = 0,5, C2 = 1,81), gilt P2 ≠⁣ P1 und P3 ≠⁣ P2. 4 (θ R = 30 °, C 2 / C 2, max = 0.7, C 2 = 4.4) shows a situation in which the case discriminations P 2 = P 1 and P 3 = P 2 are selected. In
5 (θ R = 45 °, C 2 / C 2, max = 0.5, C 2 = 2.22) and
6 (θ R = 45 °, C 2 / C 2, max = 0.7, C 2 = 3.11), P 2 = P 1 , but P 3 ≠ ⁣ P 2 to choose. For the pictures with larger θ R ,
7 (θ R = 60 °, C 2 / C 2, max = 0.5, C 2 = 1.81),
8th (θ R = 60 °, C 2 / C 2, max = 0.7, C 2 = 2.54),
9 (θ R = 90 °, C 2 / C 2, max = 0.5, C 2 = 1.57),
10 (θ R = 90 °, C 2 / C 2, max = 0.7, C 2 = 2.2), and
11 (θ R = 120 °, C 2 / C 2, max = 0.5, C 2 = 1.81), P 2 ≠ ⁣ P 1 and P 3 ≠ ⁣ P 2 .

In 12 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der am Absorber 3b an seiner dem nicht gezeigten Primärreflektor abgewandten Seite wiederum ein Sekundärreflektor 5 angebracht ist, und darüber hinaus an der gegenüberliegenden Seite des Absorbers 3b eine mit der optischen Achse fluchtende Finne 53 angebracht ist. Bei dieser Ausführung ist die Involutenform des ersten Reflektorabschnitts 51 entsprechend der Gesamtheit Absorber 3b + Finne 53 geformt.In 12 is shown a further embodiment of the invention, wherein at the absorber 3b on its side facing away from the primary reflector, not shown, in turn, a secondary reflector 5 is attached, and moreover on the opposite side of the absorber 3b a fin aligned with the optical axis 53 is appropriate. In this embodiment, the involute shape of the first reflector portion 51 according to the totality absorber 3b + Finn 53 shaped.

Die Verschiebung des Absorbers ist ein wesentliches Kriterium für die Ausbildung gemäß der Ansprüche 1 bis 3 des Sonnenkollektors. Die Ausbildung gemäß Anspruch 1 weist eine derartige Größe des Absorbers auf, daß der Sekundärreflektor nur aus einer Involute besteht. Die Ausführung von Anspruch 2 entspricht der in 3 und 4 dargestellten Form. Die Ausführung von Anspruch 3 ist in 12 dargestellt.The displacement of the absorber is an essential criterion for the embodiment according to claims 1 to 3 of the solar collector. The embodiment of claim 1 has such a size of the absorber that the secondary reflector consists of only one involute. The embodiment of claim 2 corresponds to in 3 and 4 illustrated form. The embodiment of claim 3 is in 12 shown.

In vielen Fällen entspricht diese Form nach außen hin nahezu einer Geraden, wie in Anspruch 7 festgestellt. Die in diesem Anspruch angegebenen geraden Spiegel sind be sonders einfach herzustellen. Mit der Ausführung nach Anspruch 9 können durch einen kleinen Spalt zwischen Involutenteil und dem reduzierten Absorber etwaige Wärmeverluste des Absorbers zum Spiegel reduziert werden, womit wiederum entsprechende geringe Energieverluste verbunden sind. Anspruch 1 führt zu einer sehr einfachen und kompakten Spiegelkonstruktion.In many cases corresponds to this form to the outside towards almost a straight line, as stated in claim 7. In the This claim straight mirror are particularly easy manufacture. With the execution according to claim 9 can by a small gap between the involute part and the reduced absorber any heat losses of the Absorbers are reduced to the mirror, which in turn corresponding low energy losses are associated. Claim 1 leads to a very simple and compact mirror construction.

Nach Anspruch 4 kann zum vereinfachten Umbau bestehender Anlagen ohne Sekundärreflektor diese Absorberkombination konzentrisch zum Brennpunkt des Primärreflektors 2, d.h. zum ursprünglichen Absorberrohr 3a, angebracht werden. Eine solche Anordnung ist in 12 gezeigt, für θR = 90°.According to claim 4, this absorber combination concentric with the focus of the primary reflector for simplified conversion of existing systems without secondary reflector 2 ie to the original absorber tube 3a to be attached. Such an arrangement is in 12 shown, for θ R = 90 °.

Zur Verringerung von nicht strahlungsbedingten Wärmeverlusten sowie zum Schutz vor Degradation kann eine transparente Umhüllung 6 verwendet werden, wie im Anspruch 10 erläutert. Zweckmäßigerweise ist die in 8 gezeigte Umhüllung 6 in einer derartigen Größe ausgeführt, daß der Übergangspunkt U zwischen dem ersten 51 und dem zweiten 52 Reflektorabschnitt des Sekundärreflektors 5 mit der Umhüllung 6 zusammenfällt. Mit anderen Worten ist der erste Reflektorabschnitt 51 innerhalb und der zweite Reflektorabschnitt 52 außerhalb der Umhüllung 6 angebracht. Die Umhüllung 6 ist vorzugsweise evaluiert oder mit einem geeigneten Gas gefüllt. Bei geeigneter Größe des Sekundärreflektors 5 kann dieser auch zur Gänze innerhalb der Umhüllung 6 angeordnet sein.To reduce non-radiation heat losses and to protect against degradation, a transparent enclosure 6 used as explained in claim 10. Conveniently, the in 8th Sheath shown 6 executed in such a size that the transition point U between the first 51 and the second 52 Reflector portion of the secondary reflector 5 with the serving 6 coincides. In other words, the first reflector section 51 inside and the second reflector section 52 outside the serving 6 appropriate. The serving 6 is preferably evaluated or filled with a suitable gas. With a suitable size of the secondary reflector 5 this can also be completely inside the cladding 6 be arranged.

Nach Anspruch 11 kann die konzentrierte Strahlung zur Wärmegewinnung verwendet werden, mit z.B. Öl oder Wasser als Wärmeträgermedium, zur Elektrizitätsgewinnung, oder zur Gewinnung photochemischer Reaktionsprodukte. Die Ausführung ist besonders zur einfachen Belegung mit photovoltaischen Elementen geeignet.To Claim 11 may be the concentrated radiation for heat recovery can be used with e.g. oil or water as the heat transfer medium, for electricity generation, or for obtaining photochemical reaction products. The execution is special suitable for easy occupancy with photovoltaic elements.

Wie in Anspruch 12 erläutert, kann die Umkehrung des erfindungsgemäßen Prinzips bzw. des Strahlengangs, bei der der Absorber zur Strahlungsquelle wird, zu einer gleichmäßigen Ausleuchtung einer gegebenen Fläche führen. Die Strahlungsquelle ist in diesem Fall vorzugsweise eine Leuchtstoffröhre.As explained in claim 12, can the reversal of the principle of the invention or the beam path, in which the absorber becomes the radiation source, to a uniform illumination a given area to lead. The radiation source in this case is preferably a fluorescent tube.

Claims (12)

Reflektorvorrichtung für einen Sonnenkollektor mit einem rinnenförmigen, in der Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung etwa parabolischen Primärspiegel (2), der die einfallende Strahlung auf eine in Längsrichtung des Primärspiegels (2) verlaufenden etwa zylinderförmigen Absorber (3) umlenkt, und mit einem aus zwei zueinander symmetrischen rechten und linken Reflektorflügeln bestehenden Sekundärreflektor (5), der die vom Primärspiegel (2) reflektierte Strahlung auf den Absorber (3) reflektiert, wobei in einer Betrachtungsebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung jeder Flügel des Sekundärreflektors (5) zumindest in einem Teilabschnitt eine Involute zum Absorber (3) und der Anfangspunkt der rechten Involute der Schnittpunkt der optischen Achse (A) mit der dem Primärspiegel (2) abgewandten Absorberwandung ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt des Absorbers (3) auf der optischen Achse (A) des Primärspiegels (2) und zwischen dem Fokus (F) des Primärspiegels (2) und dem Primärspiegel (2) derart angeordnet ist, daß a) ein in der Betrachtungsebene liegender innerer Randstrahl (4b) vom Rand (2a) des Primärspiegels (2) tangential auf den dem Primärspiegel (2) zugewandten Rand des Absorbers (3) trifft, und b) der Endpunkt (U) des Involutenabschnitts des Sekundärreflektors (5) gegeben ist als der Schnittpunkt des am weitesten rechts liegenden rechten Randstrahls (4f) eines vom Primärreflektor (2) reflektierten Strahlungskegels, der den Absorber (3) schneidet, mit der Involute.Reflector device for a solar collector with a channel-shaped, in the plane perpendicular to the direction of extension approximately parabolic primary mirror ( 2 ), which directs the incident radiation to a longitudinal direction of the primary mirror ( 2 ) extending approximately cylindrical absorber ( 3 ) deflected, and with a consisting of two mutually symmetrical right and left reflector wings secondary reflector ( 5 ), that of the primary mirror ( 2 ) reflected radiation on the absorber ( 3 ), wherein in a viewing plane perpendicular to the extension direction each wing of the secondary reflector ( 5 ) at least in one section an involute to the absorber ( 3 ) and the starting point of the right involute the intersection of the optical axis (A) with the primary mirror ( 2 ) facing away Absorberwandung, characterized in that the center of the absorber ( 3 ) on the optical axis (A) of the primary mirror ( 2 ) and between the focus (F) of the primary mirror ( 2 ) and the primary mirror ( 2 ) is arranged such that a) a lying in the plane of observation inner edge ray ( 4b ) from the edge ( 2a ) of the primary mirror ( 2 ) tangentially to the primary mirror ( 2 ) Trains turned edge of the absorber ( 3 ), and b) the end point (U) of the involute section of the secondary reflector ( 5 ) is given as the intersection of the rightmost rightmost ray ( 4f ) one of the primary reflector ( 2 ) reflected radiation cone, the absorber ( 3 ) cuts, with the involute. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärreflektor (5) mindestens aus einem ersten Reflektorabschnitt (51) sowie einem sich daran anschließenden zweiten Reflektorabschnitt (52) besteht, wobei der erste Reflektorabschnitt (51) der Involutenabschnitt zum Absorber (3) ist.Reflector device according to claim 1, characterized in that the secondary reflector ( 5 ) at least from a first reflector section ( 51 ) and an adjoining second reflector section ( 52 ), wherein the first reflector section ( 51 ) the involute section to the absorber ( 3 ). Reflektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß a) an der dem Primärspiegel (2) zugewandten Seite des Absorbers (3) eine Finne (53) angebracht ist, wobei ein in der Betrachtungsebene liegender innerer Randstrahl (4b) vom Rand des Primärspiegels (2) auf den freien Endpunkt der Finne (53) trifft, und b) der Sekundärreflektor (5) mindestens aus einem ersten Reflektorabschnitt (51) sowie einem sich daran anschließenden zweiten Reflektorabschnitt (52) besteht, wobei der erste Reflektorabschnitt (51) ein Involutenabschnitt zur Kombination von Absorber (3) und Finne (53) ist.Reflector device according to claim 1, characterized in that a) on the primary mirror ( 2 ) facing side of the absorber ( 3 ) a fin ( 53 ), wherein an inner boundary ray lying in the viewing plane ( 4b ) from the edge of the primary mirror ( 2 ) on the free end point of the fin ( 53 ), and b) the secondary reflector ( 5 ) at least from a first reflector section ( 51 ) and an adjoining second reflector section ( 52 ), wherein the first reflector section ( 51 ) an involute section for combining absorbers ( 3 ) and fin ( 53 ). Reflektorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt des Absorbers (3) im Fokus (F) des Primärspiegels (2) liegt.Reflecting device according to claim 3, characterized in that the center of the absorber ( 3 ) in focus (F) of the primary mirror ( 2 ) lies. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektorabschnitt (52) als ebener Spiegel ausgebildet ist, der so angeordnet ist, daß im wesentlichen alle auf diesen auftreffende Randstrahlen vom Primärreflektor (2) tangential auf den Absorber (3) umgelenkt werden.Reflector device according to claim 2 or 3, characterized in that the second reflector section ( 52 ) is formed as a plane mirror, which is arranged so that substantially all impinging on this marginal rays from the primary reflector ( 2 ) tangentially to the absorber ( 3 ) are redirected. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektorabschnitt (52) eine derartige Kontur aufweist, daß alle auf diesen auftreffende Randstrahlen vom Primärreflektor (2) tangential auf den Absorber (3) umgelenkt werden.Reflector device according to claim 2 or 3, characterized in that the second reflector section ( 52 ) has such a contour that all impinging on this marginal rays from the primary reflector ( 2 ) tangentially to the absorber ( 3 ) are redirected. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektorabschnitt (52) zu bis zu 10% seiner Länge eine derartige Kontur aufweist, daß alle auf diesen auftreffende Randstrahlen vom Primärreflektor (2) tangential auf den Absorber (3) umgelenkt werden, und im restlichen Verlauf als ebener Spiegel ausgebildet ist, der so angeordnet ist, daß im wesentlichen alle auf diesen auftreffende Randstrahlen vom Primärreflektor (2) tangential auf den Absorber (3) umgelenkt werden.Reflecting device according to claim 6, characterized in that the second reflector section ( 52 ) has up to 10% of its length such a contour that all impinging on this marginal rays from the primary reflector ( 2 ) tangentially to the absorber ( 3 ) is deflected, and is formed in the remainder of the course as a plane mirror, which is arranged so that substantially all impinging on this marginal rays from the primary reflector ( 2 ) tangentially to the absorber ( 3 ) are redirected. Reflektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektorabschnitt (52) eine Länge aufweist, die höchstens dem zweifachen Durchmesser des Absorbers (3) entspricht.Reflector device according to one of Claims 2 to 7, characterized in that the second reflector section ( 52 ) has a length which is at most twice the diameter of the absorber ( 3 ) corresponds. Reflektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Sekundärreflektor (5) und Absorber (3) ein Spalt vorgesehen ist.Reflector device according to one of the preceding claims, characterized in that between secondary reflector ( 5 ) and absorbers ( 3 ) A gap is provided. Reflektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) und mindestens ein Teil des Sekundärreflektors (5) innerhalb einer transparenten Umhüllung (6) angebracht sind, und ein soweit vorhandener Rest des Sekundärreflektors (5) außerhalb der Umhüllung fortgesetzt wird.Reflector device according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber ( 3 ) and at least a portion of the secondary reflector ( 5 ) within a transparent envelope ( 6 ) are mounted, and an existing remainder of the secondary reflector ( 5 ) continues outside the enclosure. Reflektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) ein thermischer Absorber zur Wärmegewinnung und/oder ein photovoltaischer Absorber und/oder ein photochemischer Reaktor ist.Reflector device according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber ( 3 ) is a thermal absorber for heat recovery and / or a photovoltaic absorber and / or a photochemical reactor. Verwendung der Reflektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Beleuchtungsanordnung, wobei anstelle des Absorbers (3) ein Leuchtelement verwendet wird, und die Strahlung dieses Leuchtelementes durch den Sekundärreflektor (5) und sodann durch den Primärreflektor (2) zu einer gleichmäßigen Ausleuchtung derjenigen Fläche führt, die in den Anwendungen als Sonnenkollektor dem Eintritt der Sonnenstrahlung vorbehalten war.Use of the reflector device according to one of the preceding claims for a lighting arrangement, wherein instead of the absorber ( 3 ) a luminous element is used, and the radiation of this luminous element by the secondary reflector ( 5 ) and then through the primary reflector ( 2 ) leads to a uniform illumination of that area, which was reserved for the application of solar radiation in the applications as a solar collector.
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