DE2724788A1

DE2724788A1 - Verfahren zur strahlungskonzentration

Info

Publication number: DE2724788A1
Application number: DE19772724788
Authority: DE
Inventors: Donald P Gellert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1977-05-27
Publication date: 1977-12-08
Also published as: ES459187A1; US4074704A; FR2353027B3; GB1578656A; DK236577A; JPS5316936A; FR2353027A1

Description

PATENTANWÄLTE

D-I BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE SB D-B MÜNCHEN 99 ■ WIDENMAYERSTRASSE 40

BERLIN: DIPL.-INQ. R. MÜLLKR-BORNKR

Donald P. Geliert: München: dipl.-inq.HANe-HCtNRiCHwir

DIPL.-!NO. EKKCHARD KURNER

Berlin, den 27. Mai Ii¹77

"Verfahren zur Strahlunyskonzentratiorr .USA, Nr. 691 o92 vom 28. Mai 1970)

14 Seiten Beschreibung
2 7 Patentansprüche

Chr/ΐη - 27 163

BERLlNi TELEFON (030) 83190807 Π O RC Q / 1 intlCHENi TELEFON (089) 99 88 BB KABEL: PROPINDUS · TELEX 0184087* ^{V 9} ^W ^ KABEL: PROPINDUS · TELEX 0594944

-κ-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlungskonzentration, Insbesondere zur Ausnutzung von Sonnenenergie, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es besteht seit längerer Zeit das Bestreben, die Sonnenenergie wirkungsvoll auszunutzen, und es sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die Sonnenstrahlen zu absorbieren, zu speichern und auszunutzen, wozu die unterschiedlichsten Absorber-Systeme benutzt werden. Von den älteren US-Patentschriften, in denen derartige Systeme beschrieben sind, sollen genannt werden: US-PS 496 959 (Severy), US-PS 509 392 (Paine), US-PS 629 122 (Davis), US-PS 705 167 (Walker), US-PS 819 342 (Cunniff), US-PS 937 013 (Severy), US-PS 1 003 514 (Rountree), US-PS 1 325 596 (Trosper), US-PS 1 673 429 (Vinson), US-PS 2 202 756 (Cline) sowie US-PS

2 274 492 (Modine). Diese Vorschläge schließen verschiedene Absorptionsmaterialien und Konstruktionen, flüssige und andere übertragungsanordnungen, Getriebemechanismen zum Verfolgen der Sonnenposition und zahlreiche andere Konzepte ein. Diese waren - obgleich theoretisch betriebsfähig - in der Praxis zu komplex, kostenaufwändig oder spezialisiert, um eine allgemeine gewerbliche Verwertung zu ermöglichen.

Andere Versuche die Sonnenenergie zu nutzen, sind dahin gerichtet, die Sonnenstrahlung durch Reflexion oder optische Vergrößerung zu konzentrieren, wobei in erster Linie Reflektoren, Linsen und Kombinationen derselben vorgesehen sind, wie es beispielsweise in den nachfolgend genannten Patentschriften beschrieben ist: US-PS 683 088 (Wideen), US-PS 797 891 (Himalaya), US-PS 2 625 930 (Harris), US-PS 2 859 (von Bruderdorff), US-PS 2 987 961 (Cotton et al.), US-PS

3 085 565 (Macauley), US-PS 3 118 437 (Hunt), US-PS 3 179 (Fabel), US-PS 3 229 579 (Lessley), US-PS 3 469 902 (Mertz), US-PS 1 165 672 (Trombe), US-PS 394 232 (Popoff) sowie US-PS 370 365 (Baulino). Die Kosten, die Kompliziertheit und der Raumbedarf dieser Konstruktionen, sowie die Tatsache,

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daß sie jeweils bis zu einem gewissen Grade ineffizient und unpraktisch sind, haben bisher die allgemeine Anwendung von Reflektor- und/oder Linsensystemen verhindert.

Vor weniger langer Zeit sind Vorschläge entstanden, die unter Ausnutzung von Linsen, Fresnel-Linsen und Reflektoren eine Technik zur Konzentration der Sonnenenergie zu großer Wärmeintensität ermöglichen, wie es in den folgenden Patentschriften beschrieben ist: US-PS 3 125 091 (Sleeper), US-PS 3 171 403 (Drescher), US-PS 3 182 654 (Culling), US-PS 3 407 122 (Dickinson) sowie US-PS 3 467 840 (Weiner). Darin wurde die Wärmekonzentration bis zu Temperaturer, von Tausenden von Graden beschrieben, und nach dem gegenwärtigen Stand der Technik ist es möglich, die Sonnenbahn zur direkten Energieausnutzung zu verfolgen, die Energie auf eine hohe Intensität zu konzentrieren, sie zu übertragen und zu speichern. Derartige Systeme sind aber noch so teuer und komplex, daß sie von einer allgemeinen Anwendung für Heim- und ähnliche Bedürfnisse ausgeschlossen bleiben. Die Erfindung bezieht sich nun insbesondere auf das Problem der Ausnutzung von Sonnenenergie für den praktischen Heimund Bürobedarf, sowie ähnliche Anwendungen unter Ausnutzung von Prismensystemen.

Obwohl Prismen allgemein bekannte Bauteile sind, wurden sie bisher noch nicht für eine Technik benutzt, wie sie der präzisen prismatischen Vergrößerung und Konzentration von Sonnenergie gemäß der Erfindung entspricht. Die bisher bekannten Anwendungen für die Brechung von Licht sind beispielsweise in den folgenden Patentschriften beschrieben: US-PS 586 221 (Basquin), US-PS 821 310 (Mygatt), US-PS 1 294 900 (Guth), US-PS 2 015 235 (Rolph), US-PS 2 248 (Merton) sowie US-PS 2 558 373 (Eibon).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des

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Verfahrens für die Heizung mit Sonnenenergie anzugeben, das es ermöglicht, die Sonnenstrahlen unter Vermeidung der obengenannten Nachteile zu konzentrieren, wobei das Verfahren einfach in der Anwendung und dort ohne bewegliche Nachführsysteme ausführbar sein soll, wo diese unerwünscht sind oder nicht angewendet werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit dem im Kennzeichen des Hauptpatentanspruchs angegebenen Schritten gelöst.

Besonders vorteilhaft bei dem erfondungsgemäßen Verfahren ist, daß eine Vorrichtung zu seiner Durchführung konstruktiv einfach ist und auch im häuslichen Bereich ohne besondere Fachkenntnisse installiert werden kann.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine kombinierte perspektivische und schematische Darstellung eines Sonnenenergie-Heizungssystems gemäß der Erfindung,

Fig. 2B eine bevorzugte prismatische Konzentrationsanordnung zur Benutzung im System gemäß Fig. 1,

Fig. 2A einen vergrößerten Teilschnitt der Anordnung gemäß Fig. 2B,

Fign. 2C bis F entsprechende Ansichten von modifizierten Kollektor-Konstruktionen, welche Anordnungen entsprechend den Fig. 2A und B verwenden,

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 2E, bei der eine Anzahl von Prismen übereinander angeordnet und der abgedeckte Winkelbereich dargestellt ist, sowie

Fig. 4 eine vergrößerte Vorderansicht eines zweidimen-

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sionalen Systems von vertikal und horizontal gestapelten und miteinander verbundenen prismatischen Kollektoranordnung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Gesamtsystem 1 enthält ein vollständiger Sonnenkollektor 20 einzelne Kollektoranordnungen 22J die mit 22., 22₂·... 22 bezeichnet sind. Einfallende Sonnenstrahlen 12 treffen auf die Kollektoren 22 auf, wobei die Einzelheiten weiter unten dargestellt sind. Im Ergebnis werden die Strahlen jedoch auf einer inneren Kollektorfläche gesammelt, so daß eine in Rohrleitungen 28 zirkulierende Flüssigkeit oder ein anderes Medium aufgeheizt wird, das auf der rechten Seite 26 des Kollektors 20 unter der Wirkung einer Pumpe 30 in üblicher Weise austritt. Die Pumpe 30 wird dabei durch ein Steuersystem 34 in Abhängigkeit von einem Temperaturfühler 37, der mit einem Wärmenutzungssystem 36 verbunden ist, in üblicher Weise gesteuert. Die Pumpe 30 kann außerdem mit Leitungen 40 verbunden sein, die zu einem weiteren konventionellen Wärmeaustauscher und -speicher 32 führen, der mit weiteren FluBwegen 42 verbunden ist, die ausgenutzt werden, wenn ein derartiger Wärmeaustausch gewünscht wird. Ein Speicher 38 für Reserveflüssigkeit ist mit Rückkehrleitungen 44 verbunden, welche auf der linken Seite 24 des Kollektors 20 eintreten. Das Leitungssystem stellt nur eine beispielhafte Ausführung dar und kann durch ein beliebiges anderes bekanntes WärmeIeitungs- oder -übertragungssystem ersetzt werden.

Die neuartige Sammel- und Konzentrationstechnik, sowie die entsprechende Vorrichtung sind in Form der Kollektoranordnungen 22 in den Fign. 2A bis F, 3 und 4 dargestellt. Sie arbeiten nach dem bevorzugten Prinzip der im wesentlichen senkrecht orientierten, flachen, konzentrierenden, nicht nachführenden Anordnungen spitzwinkliger Parallelprismen 16, die nur geringe Materialkosten verursachen. Die senkrechte

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oder im wesentlichen senkrechte Anordnung vermindert die schattenerzeugenden und die Sammelwirkung herabsetzenden Wirkungen von Fremdeinstrahlung. Die ebene Konzentrationsanordnung hat den Vorteil, daß sie einfach aufgebaut sein kann und architektonisch nutzbare Flächen aufweist, bei denen die isolierenden Bereiche ein Minimum werden. Wie in den Fign. 2A und B dargestellt ist, treffen die Sonnenstrahlen auf herausragende Frontflächen 16' (Fig. 2A) der vertikal aufeinander gestapelten spitzwinkligen Prismen 16 auf, wobei die Frontflächen 16' präzise in einem spitzen Winkel in Bezug auf die senkrechte Fläche angeordnet sind, wie es weiter unten näher beschrieben wird. Die Strahlen werden von den Frontflächen 16' der einzelnen Prismen 16 weitergesandt und werden durch die Prismen gebrochen, wenn sie dieselben durchlaufen haben, wobei sie als gebrochene Strahlen 13 aus senkrechten Rückflächen 16" der Prismen 16 austreten. Durch eine entsprechende Auswahl und Einstellung der spitzwinkligen Ausrichtung der Frontflächen 16', des eingeschlossenen spitzen Winkels der Prismen, sowie des Brechungsindexes des Prismenmaterials wird erreicht, daß die gebrochenen Strahlen 13 stärker konzentriert sind als die einfallenden Strahlen 12 - wie es dargestellt ist -, so daß die auf eine Absorberfläche 18 einstrahlende Energie pro Flächeneinheit größer ist als an der Frontfläche 16 der Prismen, wodurch die Energie auf der Absorberfläche 18 heraufgesetzt ist, welche eine Absorptionsfläche in Form eines "schwarzen Körpers" sein kann. Wie noch im einzelnen dargestellt werden wird, kann die geeignete Auswahl des Brechungsindex des Prismenmaterials und des spitzen Winkels dazu führen, daß die Energiedichte bei der Fläche 18 verdoppelt ist, wobei die horizontale Breite ungefähr die Hälfte der Höhe der Prismenanordnung ausmacht.

Durch die konzentrierende Wirkung der spitzwinkligen Prismen auf die einfallende Strahlung können preisgünstige und sehr wirkungsvolle Kollektorenanordnungen 22 gebaut werden,

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welche ein- oder zweidimensionale Anordnungen bzw. andere geometrische Formen umfassen, wie beispielsweise ringförmige oder andere Gruppierungen von Anordnungen wie sie als Beispiel in den Fign. 1, 3 und 4 dargestellt sind. Sie basieren auf einem einfachen Block einer dünnen Schicht von transparenten, gestapelten ,Parallelprismen 16 mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,635 mm.

Bei Anwendung einer größeren Anordnung von Prismen 16, kann ein Reflektor 17 hinter der Anordnung vorgesehen werden, wie es in Fig. 2C dargestellt ist, der sich von der Fläche 18 soweit wie es erforderlich ist, um die konzentrierten gebrochenen Strahlen 13 in Form von Strahlen 14 auf die Fläche 18 zu reflektieren, nach oben erstreckt. Bei einer Verdopplung der Höhe kann die Energiekonzentration auf diese Weise um ungefähr einen weiteren Faktor von zwei hinaufgesetzt werden.

Wenn darüber hinaus ein weiterer Reflektor 19 hinzugefügt wird, in einem Winkel, der ungefähr halb so groß ist wie derjenige der gebrochenen Strahlen 13, so daß diese darauf einfallen und in Form von Strahlen 15 nach unten auf die Absorberfläche 18 abgelenkt werden, wie es in Fig. 2D dargestellt ist, so kann die Anordnung weiter verbessert- werden, wobei die Konzentration der Strahlung im Absorptionsbereich der Absorberfläche 18 entsprechend heraufgesetzt ist. Gekrümmte Reflektoren können dabei genauso benutzt werden wie ebene, wobei auch Reflektoren mit einem parabolischen Querschnitt eingeschlossen sind.

Das System nach Fig. 2D ist in der in Fig. 2E dargestellten Anordnung enthalten, wobei die Absorberfläche 18 in der praktischen Ausführung eines flüssigkeit^;rührenden Rohrs dargestellt ist, welches als schwarzer Ab^orr.tio.i dient und in einem Kanal von konzcntri^rcnJea Fr^s flektoren 192 enthalten ist, welche die nach unt^n

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ten Strahlen zusätzlich sammeln, so daß die Wärme stärker konzentriert ist als bei einer ebenen Ausführung- der Absorberfläche 18, wie sie in den Fign. 2A bis D dargestellt ist.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fign. 3 und 4 stellen praktische modulare Anordnungen 22 des Systems gemäß Fig. 2D dar, wobei eine Absorberfläche 181 als röhrenförmiges Element 57 wiedergegeben ist, das mit einer Pyrex-Ummantelung 47 versehen ist. Die Einheit ruht auf einer Basis 191. In Fig. 4 besteht das System des Sonnenkollektors 20 aus einer paarweisen Anordnung von Teilkollektoren 201 und 202, die aus vertikal gestapelten Einheiten desjenigen Typs bestehen, wie er beispielsweise in Verbindung mit den Fign. 2E und 3 beschrieben wurde und zum Aufheizen sowohl von Gas als auch von Wasser geeignet ist. Gas tritt durch einen Einlaß 46 ein und verläßt die Anordnung durch einen Auslaß 48, nachdem es in Leitungen durch die mittels der Kollektoranordnung 22 gesammelten Strahlung in im wesentlichen an den linken Seiten 24 und den rechten Seiten 26 gelegenen Sammelleitungen erhitzt wurde. Das Wasser, welches durch ein Wasserventil 56 eintritt, gelangt durch Wasserleitungen in eine Sammelleitung 55 und durch Verbindungsrohre 57 sowie Wasserleitungen in eine Sammelleitung 59, die es durch ein Ventil 58 verläßt.

Wenn eine weitere Leistungssteigerung erwünscht ist, kann eine aus einem Element 11 und aus einem Medium 21 gebildete Hilfskammer (Fig. 2F) vor der Anordnung der Parallelprismen 16 vorgesehen werden, welche beispielsweise mit einem transparenten Medium gefüllt ist, wie beispielsweise Flüssigkeiten mit geeigneten Brechungsindizes, um die Strahlen in eine Richtung 13' umzulenken, damit sie schließlich eine Richtung 13" einnehmen. Auf diese Weise läßt sich ein leistungsfähiges und stabiles System erzeugen, welches weder eine tägliche noch eine saisonabhängige Justierung entspre-

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chend den Bewegungen der Sonne erfordert. Das Medium 21 kann auch aus anderen optisch brechenden Materialien bestehen, beispielsweise Prismen, welche die Strahlen 12 aus unterschiedlichen Richtungen, wie beispielsweise senkrecht bezüglich der Oberfläche, aufnehmen und in die Richtung 13' ablenken, welche als Einfallsrichtung für die Prismen 16 erforderlich ist.

Die breite Anwendungsmöglichkeit und Veränderbarkeit, der das Verfahren gemäß der Erfindung zuganglich ist, gestattet es, entsprechende Vorrichtungen sowohl an bestehende Wände anzubringen als auch in neue Konstruktionen einzufügen. Diffuses Licht wird durchgelassen, während gerichtete Strahlen konzentriert werden. Die Vorrichtung kann von Nichtfachleuten installiert werden, obwohl es eine Anordnung von hochstehender Technologie enthält, um Temperaturen von einer Höhe zu erzeugen, die geeignet ist, eine Mehrzahl von Wärmeverbrauchern zu versorgen. Abgesehen von anspruchsvollen Anwendungen, welche aus Glas bestehende prismatische Anordnungen enthalten, kann das Prismenmaterial der Konstruktion aus einer großen Zahl von in großen Mengen preiswert erzeugten Materialien ausgewählt werden: Acryle, wie beispielsweise Acryl-Polyester, Polycarbonate, Vinyle, Cellulose und Epoxy-Gießharze. Durch Spritzen erzeugte thermoplastische Folien können durch geeignete diamantbearbeitete Aluminiumwalzen, die vernickelt oder verchromt sind, bereits vorfabriziert sein, wie auch andere gravierte,

gegossene oder bearbeitete Anordnungen.

Es hat sich herausgestellt, daß es für ein Material mit vorgegebenen optischen Eigenschaften einen bestimmten Prismenwinkel größter Effektivität für das Einfangen von einfallender Sonnenenergie während der Heizsaison gibt, bei dem keine erneute Ausrichtung der Kollektoranordnung erforderlich ist. Anders ausgedrückt bedeutet das, daß die geeignete Auewahl des Brechungsindexes des Prismas und der Winkel des

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Prismas den Arbeitsbereich des Systems definieren. Die Prismen weisen vorzugsweise einen im wesentlichen rechten Winkel an der nach vorne ragenden Kante auf, während der Winkel im oberen Scheitelbereich zwischen der Frontfläche 16" und der senkrechten im Folgenden als spitzer Prismenwinkel bezeichnet wird. Der Prismenwinkel in den Fign. 2A bis E ist gleich dem Winkel A zwischen den einfallenden Strahlen 12, welche senkrecht auf der Prismenfrontflache 16' und einer Horizontalen 122 in Fig. 3 stehen.

Eine Heraufsetzung des Brechungsindexes des Prismenmaterials steigert für jeden vorgegebenen Prismenwinkel die Sammelwirkung, setzt aber die Breite des Arbeitsbereiches herab. Eine Verminderung des Prismenwinkels bei einem Material mit einem vorgegebenen Brechungsindex reduziert im Gegensatz dazu die Sammelwirkung, wohingegen der Arbeitsbereich vergrößert wird. Diese beiden Parameter können also im Hinblick auf die Materialkosten und den Anwendungsbereich optimiert werden.

Für ein Prismenmaterial mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,5 wurde ein Prismenwinkel von ungefähr 33,5° im Zusammenhang mit den nachfolgend zu beschreibenden Tests gewählt. Erfolgreiche Parameteranalysen wurden auch für Brechungsindizes in einem Bereich von 1,5 bis ungefähr 1,58 und Prismenwinkel zwischen 27° und ungefähr 36° ausgeführt.

Mit einem System des Typs wie es in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dargestellt ist, mit einer gegossenen prismatischen Anordnung 16 aus Acryl-Polyester mit einem Brechungsindex von 1,50 und einem winkel von 17° zwischen dem Reflektor 19 und der Senkrechten wurden Untersuchungen ausgeführt, welche die folgenden Ergebnisse erbrachten:

Prismenwinkel - 33,5* (senkrecht stehend, wobei die Sammelfläche eine

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Neigung, von 56,5° aufweist) Dichte der Prismen - 1706 pro cm Kollektorhöhe Reflektorspiegel - erste Oberfläche aus Mylar Absorber - elliptisches, wassergefülltes

Kupferkaloriemeter (Ebanol-C)

vertikale Sammelfläche - 0,22 m² (76,2 cm Höhe χ 29,2

cm Breite)

effektive prismatische Sammelf lache - 0,18 m²

Absorberfläche - 309,6 cm²

Konzentrationsfaktor, senkrechte
Strahlung - 6

thermisch isolierte

Oberflächen - nicht erforderlich

Versuche wurden in New Hampshire mit einer nördlichen Breite von 43° und einer westlichen Länge von 71° während der Wintermonate durchgeführt. Es wurde eine Sammelwirkung oder thermische Effektivität in der Größenordnung von 63% erhalten. Die Versuche ergaben, daß der größte Wirkungsgrad bei einer Inklination von 28,5° während der Mitte des Winters auftritt. Der Wirkungsgrad schwankt geringfügig bis zu einer Inklination der Sonnenstrahlen von 33,5° über dem Horizont und fällt dann steil ab, wenn die Inklination der Sonne in Bezug auf den Horizont sich stärker vergrößert (Winkel zwischen B und C, beispielsweise in Fig. 3 angegeben zwischen dem Strahl 121 und der Horizontalen 122) .

Im Ergebnis schaltet sich deshalb das System bei anszeiyenden Winkeln von Inklination und Azimut im Frühjahr automatisch ab. Der geeignete Zeitpunkt kann für den Breitengrad des Installationsortes durch die Werte der Prismenwinkel und des Materialindexes beeinflußt werden. Das System schaltet sich damit auch im Herbst automatisch ein, wenn die Winkel von Inklination und Azimut sich bis zu den betreffenden Werten hin verkleinern. Dieser An- und Abschaltvor-

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gang kann selbstverständlich - falls es erforderlich ist frei durch eine Veränderung der Neigung der Anordnung beeinflußt werden, wie es beispielsweise auch automatisch durch photoelektrisch-gesteuerte Servomechanismen erfolgen kann, die mit dem Kollektor 20 verbunden sind (in den Fign. 1 bis 4 nicht dargestellt). Falls an die Leistungsfähigkeit des Systems größere Anforderungen gestellt werden, können selbstverständlich auch Azimut- und Höhenfolgemechanismen in bekannter Weise vorgesehen werden. Auf diese Weise braucht das erfindungsgemäße System nicht stets senkrecht ausgerichtet zu sein, sondern kann ebenso gut geneigt sein, wobei die für eine vertikale und horizontale Ausrichtung angegebenen Daten als Richtgrößen für die betreffenden Achsen und Ausrichtungen angesehen werden können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung gemäß der Erfindung sind die folgenden Verluste verbunden, denen die einfallende Strahlung unterworfen ist:

1. Reflexionsverluste beim Eintreten des Strahls 12 in die Frontfläche 16' der Prismen 16 - 4%, wenn der Strahl 12 senkrecht in Bezug auf die Fläche 16¹ gerichtet ist. Der Durchschnitt beträgt 6% für die Sonnenazimute während der Heizsaison.

2. Interne Reflexionsverluste an der brechenden Rückfläche 16" - von 4 bis 100% in Abhängigkeit vom Brechungswinkel, im Durchschnitt ungefähr 9,5% während des kältesten Teils der Heizperiode in den obengenannten Beispielen.

3. Absorptionsverlust der Frontspiegelfläche - 2%.

4. Totalreflexion der inneren und äußeren Oberflächen der Ummantelung 47 des Kollektorrohrs in Fig. 3-6%.

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S At

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5. Absorption bei der Absorberfläche 18 (181 in Fig. 3) 96% (4% Verlust). Wenn der Sommersonnenstand erreicht wird, werden die Winkel des Azimuts in der Morgen- und Abenddämmerung so groß, daß von dem nach Süden ausgerichteten Kollektor der zuvor beschriebenen als Beispiel herangezogenen Einrichtung kein Licht mehr aufgenommen wird. Dazu kommt, daß der Inklinationswinkel über einen Wert ansteigt, bei dem die Reflexion der internen Brechungsfläche (siehe oben unter 2.) 100% wird, so daß kein Licht wieder abgegeben und die Anordnung 20 für sichtbares Licht undurchlässig wird.

Die größte effektive Kollektorfläche, welche der Sonne von einer 55,74 m^a großen prismatischen Anordnung 22 gemäß der Erfindung (mit ca. 40 Prismen pro cm) dargeboten wird, beträgt 46,45 m². Der durchschnittliche senkrechte Wärmefluß beträgt an einem klaren Dezembertag bei 43° nördlicher Breite ca. 623,3 ITkcal/m^a und dauert für 9 Stunden an. Dieser durchschnittliche Fluß reduziert sich für die azimutale Projektion des vertikalen, nach Süden gerichteten Kollektors auf einen effektiven Durchschnittswert von 523,03 ITkcal/m^a. Bei einem Kollektorwirkungsgrad von 6 3,5% kann daher erwartet werden, daß das System dem Absorber eine Gesamtwärmemenge von 138 986 ITkcal/Tag oder 3 4 74 ITkcal/ Tag/22 Module liefert. Eine Serien-Parallel-Schaltung der einzelnen der 22 Module kann in der Weise erreicht werden, daß der kühlende Fluß (beispielsweise Wasser, wie in den Fign. 1 und 4) für jeden Modul auf ungefähr 3,78 l/min eingestellt wird, wobei der Temperaturanstieg ungefähr 22°C pro Modul beträgt.

Das beschriebene AusfUhrungsbeispiel stellte lediglich eine Möglichkeit der Realisierung der Erfindung dar, die sich insbesondere in der Kombination der Konzentration der Strahlung mittels Prismen und Reflexionsspiegeln manifestiert. Die Raumerfordernisse entsprechen denjenigen von

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ebenen Kollektoren vergleichbarer Kapazität für Gesar.tlichteinfall. Er ist wesentlich kleiner als derjenige, welcher für konzentrierende Kollektorsystorr.e vergleichbarer Kapazität erforderlich ist. Dabei ist sowohl di. Möglichkeit gegeben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vorrichtung senkrecht an Wanden zu :r.or.t ieren, oder aber auch an neigbaren Mechanismen, v,\;n.i 0:0 oben erwähnte automatische Abschaltfunktion außerhalb der Heizperiode nicht ausgenutzt werden soll. Der Absorber, der Kollektor und die Reflektoren weisen in um-r i< buston Parallelogramm-Anordnung eine besonder.; ^: n:\ic!.. Konstruktion auf, wobei Fokussier- und Einst el 1 probl ■ :;u· crt fall er. . Vielfache architektonische Anwendunqr,:. Oc;'. i r],:-:i>i 1 .·:-. ergeboii sich in der Ausführung als undurchsielJ ;>' r LIρic>;».· 1 , der diffuses Umgebungslicht in das Innere oir.i u dobiu.ics einläßt, während er direkte Strahlung konzentriert. Die Ausnutzung von Materialien und Techniken für Massenproduktion ist möglich.

IMt 1 <ivj_aη 27 163 - Chr

Claims

Patentansprüche

1.)Verfahren zur Strahlungskonzentration, insbesondere zur Ausnutzung von Sonnenenergie, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Einfallen von Strahlung (12) auf eir.o Anzahl von aufeinanderfolgenden, die Strahlung weitergebenden Oberflachen (Frontflächen 16')/ die jeweils mit einer benachbarten Ebene einen spitzen Winkel bilden,

Brechung der eingefallenen Strahlung (12) in Bereichen zwischen den Oberflächen (Frontflächen 16') und der benachbarten Ebene,

Lenkung der gebrochenen Strahlung (13) auf eine Sammelflache (Absorberfläche 18), die in einem vorgegebenen Bereich hinter der Ebene angeordnet ist,

Einstellung des spitzen Winkels unter Berücksichtigung des Brechungsindexes in den Bereichen in derartigen Grenzen, daß die gebrochene Strahlung (13) konzentriert wird und eine Energie pro Sanunelflache liefert, die größer ist als diejenige Energie pro Fläche, welche auf die Oberflächen (Frontflächen 16') einfällt, so daß die Energie auf der Sanur.elfläche (Absorberfläche 18) verstärkt wird, sowie

Absorption der Energie auf der Sammelfläche (Absorberfläche 18) .

2. Verfahren nach Anspruch 1 für die Konzentration von Sonnenstrahlung und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des spitzen Winkels und des Brechungsindexes in Bezug auf die geographische

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Breite des Installationsortes und auf den Bereich des Einfalls der Sonnenstrahlung und die Azimutwinkel so vorgenommen wird, daß für vorgegebene Zeitabschnitte des Jahres die Konzentration oberhalb bestimmter Mindestwerte liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ebene im wesentlichen senkrecht stehend angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen (Frontflächen 16') zur Einstellung des Einfallswinkels der Strahlung geneigt sind.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkung der gebrochenen Strahlung (13) in der Weise vorgenommen wird, daß mindestens ein Teil derselben direkt auf die Sammelfläche (Absorberfläche 18) gerichtet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkung der gebrochenen Strahlung (13) in der Weise vorgenommen wird, daß mindestens ein Teil derselben direkt nach unten auf die Sammelfläche (Absorberfläche 18) gerichtet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Lenkung der gebrochenen Strahlung (13) in Richtung auf die Sammelfläche (Absorberfläche 18) durch Reflexion eines Teils der gebrochenen Strahlung mittels mindestens einer zusätzlichen Reflexions-

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fläche (Reflektor 17, 19) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkung der gebrochenen Strahlung (13) die Brechung eines Teils derselben in Richtung auf die Sairunelfläche (Absorberflache 18) nach oben umfaßt.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung der gebrochenen Strahlung (13) die Brechung mindestens eines Teils derselben in eine im wesentlichen zu der Ebene parallele Richtung zu der Sammelfläche (Absorberfläche 18) hin umfaßt.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Sammelflache (Absorberfläche 18) aufgenommene Energie anschließend zum Verbrauchsort transportiert wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel und der Brechungsindex im wesentlichen zwischen den Werten 27 und 36° bzw. 1,50 bis 1,58 liegen.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von aufeinanderfolgenden Oberflächen (Frontflächen 16') im wesentlichen parallel in einer ebenen Anordnung vorgesehen sind, die sich in der Richtung der Ebene erstreckt.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß es sich bei den Oberflächen um Frontflächen (16¹) von Prismen handelt, welche die Bereiche aufweisen, wobei eine an die Frontflächen anschließende Bodenfläche aus dem Bereich der Fläche herausragt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Konzentration in der Weise erfolgt, daß eine Anzahl derartiger Anordnungen in einem Gebiet angeordnet ist, das der einfallenden Strahlung (12) ausgesetzt ist.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der einfallenden Strahlung (12) auf die Oberflächen mit optischen Mitteln in Richtung auf dieselben ausgerichtet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die optischen Mittel eine Brechung vor den Oberflächen (Frontflächen 16') erzeugen.

17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine im wesentlichen ebene Anordnung von im wesentlichen parallel befestigten Prismen, die sich entlang einer vorgegebenen Ebene erstrecken, wobei die Frontflächen (16') der einfallenden Strahlung (12) ausgesetzt sind,

Energieabsorbierende Mittel, mit einer Sammelfläche (Absorberfläche 18),die rückseitig der Ebene befestigt sind,

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einen spitzen Winkel, den die Prismen einschließen und einen Brechungsindex, der so gewählt ist, daß die auf die Frontflächen (16¹) einfallende Strahlung (12) auf eine kleinere Fläche der energieabsorbierenden Mitteln (Absorberfläche 18) konzentriert wird, nachdem sie von den Prismen gebrochen wurde, wodurch die Strahlungsenergie auf der Sammelfläche heraufgesetzt wird, sowie

Mittel zur Ausnutzung der in dieser Weise konzentrierten Energie.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet , daß die Ebene im wesentlichen vertikal gerichtet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel und der Brechungsindex innerhalb eines Bereiches von 27 bis 36° bzw. 1,50 bis 1,58 liegen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die untere, an die Oberflächen (Frontflächen 16") anschließende Kante aus der Ebene herausragt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß optische Mittel (Reflektor 17, 19) im rückwärtigen Bereich der Ebene so angeordnet sind, daß sie mindestens einen Teil der gebrochenen Strahlung (13) in Richtung auf die Sammelfläche (Absorberflächer 18) umlenken.

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22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß die optischen Mittel Reflexionsmittel enthalten.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Reflexionsmittel eine Anzahl von verschieden gerichteten Reflektoren (17, 19) enthalten.

24. Vorricht8ng nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelfläche (Absorberfläche 18) am Boden der Anordnung vorgesehen ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mit mindestens einer gleichartigen Anordnung derart verbunden ist, daß sie einen Sammelbereich bilden, bei dem die energieabsorbierenden Mittel jeder Anordnung untereinander verbunden sind.

26. Vorrichtung nach einem der Anpsrüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Ausrichtung der Strahlung vor der Anordnung vorgesehen sind, welche die einfallende Strahlung (12) auf die Frontflächen (16') der Prismen lenken.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel zur Ausrichtung der Strahlung weitere Brechungsmittel (11) aufweisen.

27 ,63 /ehr 70980/1174