Rinnenkollektor für ein Solarkraftwerk

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rinnenkollektor für ein Solarkraftwerk nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Solarthermische Kraftwerke produzieren schon seit einiger Zeit Strom im industriellen Massstab zu Preisen, die - gegenüber der Fotovoltaik - nahe an den heute üblichen kommerziellen Preisen für in herkömmlicher Art erzeugten Strom liegen.

In Solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne durch Kollektoren mit Hilfe des Konzentrators gespiegelt und gezielt auf einen Ort fokussiert, in welchem dadurch hohe Temperaturen entstehen. Die konzentrierte Wärme kann abgeführt und zum Betrieb von thermischen Kraftmaschinen wie Turbinen verwendet werden, die wiederum die Strom erzeugenden Generatoren antreiben.

Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling-Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensyste- me.

Parabolrinnenkraftwerke besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Kon- zentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen, was diese in ihrer Konstruktion grundlegend von den Dish-Sterling- und Solarturmkraftwerken unterschiedet. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m, während die Breite 3 m, 5 m und mehr erreichen kann. In der Brennlinie verläuft eine Absorberleitung für die konzentrierte Wärme (bis gegen 400 ⁰ C), wel- che diese zum Kraftwerk transportiert. Als Transportmedium kommt ein Fluid wie z.Bsp. Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf in Frage, welches in den Absorberleitungen zirkuliert.

Obschon ein Rinnenkollektor vorzugsweise als Parabolrinnenkollektor ausgebildet ist, werden häufig Rinnenkollektoren mit sphärischem oder nur annährend parabolisch ausgebildetem Konzentrator verwendet, da ein exakt parabolischer Konzentrator mit den oben genannten Abmessungen nur mit grossem, damit wirtschaftlich kaum sinnvollen Aufwand herzustellen ist.

Die 9 SEGS-Rinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW; ein zusätzliches Kraftwerk in Nevada soll zur Zeit ans Netz gehen und über 60 MW liefern. Ein weiteres Beispiel für ein Rinnen- kraftwerk ist das im Bau befindliche Andasol 1 in Andalusien, mit einer Kon- zentratorfläche von 510'0OO m ² und 50 MW Leistung, wobei die Temperatur in den Absorberleitungen ca. 400° C erreichen soll. Das Leitungssystem für die Zirkulation des wärmetransportierenden Fluids kann in solchen Kraftwerken eine Länge von bis zu 100 km erreichen, oder mehr, wenn die Konzepte für die künftigen Grossanlagen realisiert werden. Die Kosten für Andasol 1 werden auf mehrere hundert Millionen € veranschlagt.

überschlagsmässig lässt sich festhalten, dass ein immer grosserer Anteil der Gesamtkosten, heute z.Bsp. 65% oder mehr, bei solch einem Solarkraftwerk auf die Rinnenkollektoren und das Leitungssystem für das Wärme transportierende Fluid entfallen.

Angesichts der genannten hohen Baukosten und auch der hohen Wartungskosten für solche Rinnenkollektoren wurden schon früh Bauformen vorgeschlagen, bei welchen die Verschmutzung der spiegelnden Konzentratoroberfläche vermindert und dadurch der Wartungsaufwand, aber auch der Aufwand für den Bau des Kollektors selbst, reduziert ist.

So zeigt FR-PS 1.319.144 einen Wannen- oder Rinnenkollektor für ein Solar- kraftwerk der oben genannten Art, der eine zylindrische Druckzelle aus einer flexiblen Membran aufweist, die einen transparenten Bereich und einen reflektierenden Bereich aufweist. Durch erhöhten Innendruck wird die zylindrische Druckzelle in ihrer Form gehalten, so dass durch den transparenten Bereich

eingefallene Sonnenstrahlung auf den sphärisch gekrümmten, reflektierenden Bereich gelangt und von diesem auf eine in der Druckzelle verlaufende Absorberleitung konzentriert wird.

Mit solch einer Anordnung ist es grundsätzlich denkbar, ein durch die zylindrische Druckzelle hindurch verlaufende Absorberleitung entlang ihrer Länge aufzuheizen, wobei sie durch die Druckzelle vor Verschmutzung und Kühlung durch den Wind geschützt ist. Der so entfallende Reinigungsaufwand für die Absorberleitung und speziell der Schutz vor Kühlung sind nicht zu unterschät- zende Kostenfaktoren bei der Produktion von Solarstrom im industriellen Massstab.

Eine konventionelle Absorberleitung z.Bsp., die im Freien verläuft, verliert durch Wärmeabstrahlung und Kühlung durch die Umgebungsluft bis zu 100 W/m, was bei einer Leitungslänge von bis zu 100km (oder mehr) einem Verlust von 10 MW entspricht. Jede Reduktion dieses Verlusts z.Bsp. durch Schutz vor Windkühlung, ist deshalb von Bedeutung und anzustreben.

Weiter eröffnet die Ausbildung des Konzentrators als flexible Membran, die ein geringes Gewicht besitzt, die gesamte Tragstruktur des Kollektors einfacher und damit günstiger aufzubauen, da die gegenüber den herkömmlichen, massiven Spiegeln wesentlich weniger Gewicht gelagert und (dem Sonnenstand entsprechend) verschwenkt werden muss. Schliesslich ist auch ein aus einer flexiblen Membran bestehender Konzentrator günstiger herzustellen und einfa- eher zur Baustelle zu bringen (die der Natur der Sache nach in abgelegenen Gebieten, z.B. einer Wüste, liegen kann), und auch einfacher zu montieren, als dies bei konventionellen Konzentratoren der Fall ist.

Die Ausbildung eines Rinnenkollektors mit einer zylindrischen Druckzelle ist je- doch bei den heute geforderten, oben erwähnten Abmessungen nicht praktikabel. Die durch den zylindrischen Membrankörper gebildete äusserst grosse Angriffsfläche für z.Bsp. Wind erfordert eine Verstärkung der zylindrischen Druckzelle durch ein massives Fachwerk, wie es bereits in der genannten FR-PS im

Hinblick auf verstärkende "nervures annulaires" des zylindrischen Körpers erwähnt wird. Durch ein solches Fachwerk, welches zu der an sich leichter und einfacher zu bauenden Tragstruktur für den Zylinder hinzu tritt, verliert die offenbarte Ausführungsform die in der FR-PS eingangs erwähnten Vorteile betreffend leichter und günstiger Konstruktion im wesentlichen Mass.

Dieselbe Bauform eines Rinnenkollektors mit aufblasbarem Kollektorkörper zeigt FR-PS 2 362 347. Hier wird berücksichtigt, dass auf dem transparenten Abschnitt der Membran auftreffende Sonnenstrahlung in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel teilweise reflektiert wird; praktisch nicht, wenn die Sonnenstrahlung senkrecht auf den transparenten Abschnitt auftrifft, und mit ansteigendem Anteil, je schräger sie auf diesen gelangt.

Eine zylinderförmige Druckzelle hat entsprechend die Eigenschaft, dass (in Richtung der Sonnenstrahlung gesehen) randseitig auf ihr auftreffende Sonnenstrahlen im Wesentlichen reflektiert werden, also den Konzentrator nur noch zu einem geringen Anteil erreichen.

Entsprechend besitzt der in der FR-PS 2 363 347 dargestellte zylindrische Rin- nenkollektor eine reflektierende Schicht, die sich nicht über die an sich mögliche Hälfte des Zylindermantels, sondern nur über ein Segment dieser Zylinderhälfte erstreckt.

Dadurch ergibt sich bei gleicher Konzentratorfläche ein noch grosserer Zylin- derdurchmesser, als bei der Bauform nach FR-PS 1 319 144, was entsprechend ungünstig ist. Abhilfe wird gesucht, indem beim zylindrischen Körper die parallel zur Sonnenstrahlung verlaufenden Mantelbereiche gewissermassen "weggeschnitten" werden; es ergibt sich so eine bikonvexe, linsenförmige Struktur, deren Dicke bzw. Höhe gegenüber dem Durchmesser des Zylinders bei gleich- bleibendem Anteil an eingefallenem bzw. nicht reflektiertem Sonnenlicht reduziert ist.

An Stelle der bikonvexen Struktur kann auch eine Struktur treten, bei welcher

die transparente Membran durch eine feste (transparente) Platte ersetzt wird, die senkrecht zum einfallenden Sonnenlicht ausgerichtet ist, mit dem Vorteil, dass kaum mehr Sonnenstrahlung reflektiert wird, und mit dem Nachteil, dass die Kosten für die Herstellung solch eines Rinnenkollektors ansteigen, da die Vorteile bei Verwendung einer Membran (Leichtbau, der auch günstigere Strukturen für das Gestell des Kollektors etc. erlaubt) wieder mindestens teilweise verloren gegangen sind.

Zudem erkennt der Fachmann, dass die gezeigten Ausführungsformen auch in bikonvexer, d.h. linsenförmiger Konfiguration tatsächlich immer noch erhebliche Höhe aufweisen, da der Brennlinienbereich innerhalb der Druckzelle liegt, somit der Krümmungsradius des Konzentrators entsprechend klein ist, was bei einem Rinnenkollektor von 5 oder 10m Breite zu einem beträchtlichen Volumen der Druckzelle führt. Die Angriffsfläche auch für seitlich einfallenden Wind (z.Bsp. bei Ruhestellung für starken Wind) ist nach wie vor so gross, dass auch hier ein die Druckzelle unter Windangriff stabilisierendes, zusätzliches Fachwerk zur Tragstruktur für die Druckzelle selbst hinzukommen muss, also nicht weggelassen werden kann.

Die Tragstruktur für die Druckzelle kann im Wesentlichen aus einem einfachen, rechteckigen Rahmen bestehen, in welchem die Druckzelle ihren Längsrändern entlang aufgespannt wird.

WO 90/10182 (die der US 5 365 920 entspricht) zeigt nun in Fig. 1 einen Rin- nenkollektor, der gegenüber der Zylinderförmigen Ausführung in der Höhe reduziert werden, aber dennoch im Querschnitt eine grossere Ausdehnung des sphärisch gekrümmten Konzentrators 2 erlauben soll. Diese grosse Ausdehnung für hohe Konzentration der Strahlung bringt es mit sich, dass der Abstand des Absorberrohrs 6 nicht viel kleiner ist als der Krümmungsradius des Konzentrators 2. Aufgrund der sphärischen Krümmung des Konzentrators 2 ist wiederum der Brennlinienbereich derart ausgedehnt, dass die durch den Kon- zentrator 2 nur ungenügend konzentrierbare Strahlung "nachkonzentriert" werden muss, was mit Hilfe eines gemäss der genannten Offenbarung zylindri-

sehen Sekundärkonzentrators 5 erfolgt. Der Fachmann erkennt jedoch leicht, dass dies durch einen zylindrischen Sekundärkonzentrator 5 kaum möglich ist: für die Reflektion am Sekundärkonzentrator 5 gilt, dass der Einfallswinkel der Strahlung gleich dem Ausfallswinkel ist, welche Winkel relativ zum Lot auf den jeweiligen Oberflächenbereich des Sekundärkonzentrators 5 gemessen werden. Dieses Lot wird nun von der Längsachse des Absorberrohrs 7 aus auf die Oberfläche des Sekundärkonzentrators gefällt. Für alle am Konzentrator 2 reflektierten Strahlen, die aufgrund des grossen Brennlininenbereichs das Absorberrohr 7 um einen Abstand verfehlen (und deshalb auf den Sekundärkonzentra- tor 5 gelangen), gilt deshalb, dass sie dieses nach ihrer Reflektion am zylindrischen Sekundärkonzentrator wiederum um denselben Abstand verfehlen müssen. Der Fachmann wird also die in Fig. 1 dargestellte Anordnung kaum realisieren können und deshalb die bevorzugten Ausführungsformen realisieren, die gemäss der genannten Offenbarung (Seite 9) vorteilhafterweise einen Sekun- därkonzentrator nicht benötigen. Diese Ausführungsformen zeigen eine Druckzelle mit einem genügend grossem Krümmungsradius des Konzentrators 54. Solch eine Druckzelle hat dann die gewünscht vorteilhaft geringe Höhe, wobei allerdings das Absorberrohr 50 weit ausserhalb der Druckzelle angeordnet werden muss.

Die DE OS 27 33 915 (die der FR PS 2 398 982 entspricht) zeigt einen konventionellen Rinnenkollektor mit starrem Konzentrator (d.h. ohne Druckzelle) der gemäss der Aufgabe ausgebildet ist, den Konzentrator in einer richtigen Ausrichtung zur Sonne zu halten und ein Abkühlen des Absorberrohrs (während der Nacht) zu verhindern. Dazu wird ein Sekundärkonzentrator im Brennlinienbereich hinter dem Fokus f der konzentrierten Strahlung angeordnet, der die konzentrierte Strahlung auf ein gegenüber der Verschwenkbewegung des Konzentrators ortsfestes Absorberrohr reflektiert. Das ortsfeste Absorberrohr kann dann über Nacht über Türen von der Aussenwelt abgeschlossen werden, so dass en Wärmeverlust verhindert ist. Da eine Druckzelle nicht vorliegt, erübrigt sich eine Reduktion der Höhe der Anordnung. Die Höhe bzw. der Abstand des Brennlinienbereichs und damit auch des Sekundärkonzentrators vom Konzentrator entspricht der Höhe bzw. des Abstands des Absorberrohrs 50 (ge-

mäss der oben erwähnten WO 90/10182) vom Konzentrator der dort gezeigten Druckzelle.

Entsprechend besitzen die heute gebauten oder geplanten Solarkraftwerke des Typs mit Rinnenkollektoren solche herkömmlicher Art ohne Druckzelle, und realisieren damit die an sich denkbaren Vorteile (kostengünstiger Leichtbau, vereinfachte Wartung durch vor Verschmutzung geschützte Konzentratoren, keine Kühlung der Absorberleitung durch Wind, etc.) nicht.

Damit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rinnenkollektor mit einer Druckzelle bereit zu stellen, die bei herkömmlichen Breiten, aber auch bei einer Breite von 8m, 10m oder mehr realisierbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe besitzt der erfindungsgemässe Rinnenkollektor die Merkmale von Anspruch 1.

Dadurch, dass der Konzentrator die einfallende Sonnenstrahlung gegen einen ausserhalb der Druckzelle verlaufenden Brennlinienbereich konzentriert, kann er flach, d.h. mit einem grossen Krümmungsradius konzipiert werden, was die Grundlage bietet, die Höhe der Druckzelle klein zu halten; dadurch, dass ein Sekundärkonzentrator im Pfad der sich erst konzentrierenden Strahlung, also vor dem Brennlinienbereich vorgesehen ist, kann die Absorberleitung innerhalb der Druckzelle, an einem geeigneten Ort, angeordnet werden, ohne deren Höhe zu vergrössern, mit der Folge, dass die Druckzelle z.Bsp. ohne eigenes Verstärkungs-Fachwerk gebaut werden kann und damit ihre Vorteile als preisgünstige Leichtbaulösung genutzt werden können.

über die gestellte Aufgabe hinaus wird durch die Merkmale des Anspruchs ... ein Herstellverfahren für solch einen Sekundärkonzentrator angegeben, das nicht auf Versuchen aufsetzen muss und auch als Instrument für den Fachmann geeignet ist, den Sekundärkonzentrator für einen Kollektor im konkreten Fall schnell und einfach auszulegen, und damit gegebenenfalls auch vor Ort richtig, verbessert oder korrigiert ausgelegt herstellen zu können. Letzteres

kann auch für Nachrüstungen konventioneller Kollektoren in Frage kommen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht eine einfache, nicht aufwendige Berechnung der Krümmung der reflektierenden Oberfläche des Sekundärkon- zentrators, mit der jeweils gewünschten Genauigkeit, so dass je nach Auslegung eines Rinnenkollektors im konkreten Fall der Sekundärkonzentrator ohne weiteres richtig ausgelegt und hergestellt werden kann.

Bevorzugte Ausführungsformen besitzen die Merkmale der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Ansicht des erfindungsgemässen Rinnenkollektors,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Rinnenkollektor von Fig. 1 mit einer ersten Anordnung des Sekundärkonzentrators

Fig. 3. schematisch einen Querschnitt durch den Rinnenkollektor von Fig. 1 mit einer zweiten Anordnung des Sekundärkonzentrators,

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rinnenkollektors,

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Druckzelle eines Rinnenkollektors mit zwei Druckräumen,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Absorberleitung, und

Fig. 7 ein in die Anordnung von Fig. 4 gelegtes Koordinatensystem mit den im erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Vektoren.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemässen Rinnenkollektors 1 mit einer Tragstruktur 2, bestehend aus einem rechteckigen Rahmen 3, der auf einer Verschwenkeinrichtung 4 gelagert ist, welche ihrerseits auf geeigneten Stützen 5 ruht. Die Verschwenkeinrichtung 4 ermöglicht, den Rinnenkollektor 1 dem jeweiligen Sonnenstand entsprechend auszurichten. Der rechteckige Rahmen 3 ist bevorzugt aus Beton ausgebildet, was für eine erleichterte Herstellung vor Ort, d.h. auf der Baustelle selbst, günstig ist.

Die Figur zeigt weiter eine Druckzelle 10 unter Betriebsdruck, d.h. im aufgebla- senen Zustand mit der durch die Hilfslinien 11 symbolisierten kissenartigen Form. Die Länge solch eines Rinnenkollektors 1 kann 250 m, die Breite 10 m übersteigen. Die Höhe der Druckzelle 10 ist abhängig von der Breite, aber auf jeden Fall kleiner als diese.

Ein Absorberrohr 12 wird durch die reflektierte Sonnenstrahlung aufgeheizt; der Konzentrator befindet sich in der Druckzelle 10 und ist deshalb in der Figur nicht sichtbar. Das Absorberrohr 12 ist an geeigneten Stützen 13 aufgehängt, so dass es sich im Brennlinienbereich des Konzentrators befindet.

In den nachfolgenden Figuren werden für gleiche Teile dieselben Bezugsnummern verwendet.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform 20 des Rinnenkollektors 1. Die Verschwenkeinrichtung 4 ist gebildet durch ei- nen bogenförmigen Verschwenkbügel 6, der in einem Verschwenkantrieb 7 läuft, welcher über Rollen 8 den Verschwenkbügel 6 verstellt und damit den Rahmen 3 in gewünschter Stellung ausrichtet.

Im Rahmen 3 befestigt (und damit durch diesen aufgespannt) ist eine Druck- zelle 25, die aus flexiblen Membranabschnitten 26,27 gebildet ist, vorliegend deren zwei, die ihren Rändern 28,29 entlang verbunden sind. Der eine, hier obere Membranabschnitt 26 ist für einfallendes Sonnenlicht, dargestellt durch die Strahlen 30, 31, mindestens teilweise transparent; der andere, untere

Membranabschnitt 27 ist durch eine den Sonnenstrahlen 30,31 zugewandte reflektierende Beschichtung 32 als Konzentrator 33 ausgebildet.

Unter Betriebsdruck werden die Membranabschnitte 26,27 mit Druck beauf- schlagt und dabei sphärisch gekrümmt, so dass der Konzentrator 33 im Rahmen 3 seine Rinnenform einnimmt, die dieser Gattung von Solarkollektoren den Namen gegeben hat.

Durch die sphärische Krümmung ergibt sich gegenüber einer exakten paraboli- sehen Krümmung, dass die durch den Konzentrator 33 reflektierten Strahlen

30", 31' in einen Brennlinienbereich 34, und nicht in eine Brennlinie konzentriert werden. Der Brennlinienbereich 34 ist schematisch durch die punktierte Linie angedeutet. Die Auslegung eines zu bauenden Rinnenkollektors 20, d.h. Länge,

Breite etc., also auch die Auslegung des Krümmungsradius 36, erfolgt durch den Fachmann im Hinblick auf ein konkretes Projekt.

Der Krümmungsradius 36 des Konzentrators 33 ist so gross gewählt, dass der Brennlinienbereich 34 ausserhalb der Druckzelle 25 liegt, mit dem Vorteil, dass diese flach ausgebildet ist, d.h. eine geringe Höhe besitzt. Im Fall heftiger Win- de kann die Druckzelle 25 durch den Verschwenkantrieb 7 derart ausgerichtet werden, dass sie dem Windangriff nur von der Schmalseite her, mit ihrer geringen Höhe, ausgesetzt ist. Damit entfällt ein zusätzliches, die Druckzelle 25 stabilisierendes Fachwerk (oder auch andere konstruktive Massnahmen zur Stablilisierung der Druckzelle 25). Die Druckzelle 25 mit dem Konzentrator 33 besitzt gegenüber einem konventionellen, massiv gebauten Konzentrator geringes Gewicht, mit der Folge, dass der Rahmen 3, aber auch die Verschwenk- einrichtung 4 mit den Stützen 5 geringer dimensioniert werden können. Als Folge dieses Leichtbaus ergibt sich nicht nur eine materialseitige Kostenreduktion, sondern auch eine wesentlich vereinfachte Herstellung und Montage, die besonders für abgelegene Gebiete, wie Wüstengebiete, geeignet ist.

In der Druckzelle 25 sind weiter ein Sekundärkonzentrator 40 und eine Absorberleitung 42 vorgesehen, die über ein Trägerfachwerk mit gestrichelt ange-

deuteten Trägern 44 an Halteplatten 45 des Rahmens 3 aufgehängt sind. Damit bleibt trotz grossem Krümmungsradius des Konzentrators 33 der Vorteil bestehen, dass die Sonnenstrahlung 30,31 nicht zweimal durch die transparente Membran 26 hindurchtreten muss; mit der Folge, dass auch der Verlust in- folge Alterung der Membran 26 entsprechend klein bleibt: pro Prozent an Verlust von Transparenz der Membran 26 (z.Bsp. Verschmutzung oder Verkrat- zung der Oberfläche) würde bei zweimaligem Durchtritt der Sonnenstrahlung 30, 31 durch die Membran 26 ein doppelter Energieverlust von jeweils zwei Prozent resultieren.

Die Ausbildung und Dimensionierung des oben genannten Trägerfachwerks kann durch den Fachmann leicht für einen konkret zu bauenden Rinnenkollektor 1 vorgenommen werden.

In der Absorberleitung 42 zirkuliert auf bekannte Weise ein Wärme transportierendes Fluid, das die von der einfallenden, konzentrierten Strahlung 30, 31 erzeugte Wärme abtransportiert.

Der Wartungsaufwand für den Sekundärkonzentrator 40 und die Absorberlei- tung 42 ist klein, da beide (wie auch der Konzentrator 33 selbst) durch die Druckzelle 25 vor Verschmutzung geschützt sind. Diese kann zudem an Stelle der Umgebungsluft mit z.Bsp. Stickstoff gefüllt werden, was zusätzlich die Korrosion sowohl der reflektierenden Schicht des Konzentrators 33 als auch des Sekundärkonzentrators 40 (falls er z.Bsp. aus Blech bestehen sollte, s. unten) verhindert oder verlangsamt. Alternativ dazu kann die Luft in der Druckzelle 25 entfeuchtet werden.

Dabei ist der Sekundärkonzentrator 40 im Pfad der durch den Konzentrator 33 sich konzentrierenden Strahlung 3O',31' angeordnet und derart ausgebildet, dass die konzentrierte Strahlung 30' 31' weiter, gegen einen sekundären Brennlinienbereich 41 am Ort der Absorberleitung 42 hin, konzentriert wird. Es ergibt sich eine Anordnung, bei der der Sekundärkonzentrator 40 dem Konzentrator 33 gegenüberliegt und nahe dem transparenten Membranabschnitt

26 angeordnet ist, wobei die Absorberleitung 42 zwischen dem Konzentrator 33 und dem Sekundärkonzentrator 40 verläuft. Da die Krümmung des Kon- zentrators 33 bei gegebener Breite des Rinnenkollektors 1 schwach ausgeprägt ist (grosser Krümmungsradius 36), besitzt der Brennlinienbereich 34 eine nur kleine Ausdehnung, mit dem Vorteil, dass der Sekundärkonzentrator 40 schmal baut und nur wenig Schatten wirft.

Die Absorberleitung 42 ist von äusseren Einflüssen wie Wind geschützt und verliert im Betrieb entsprechend wenig Wärme.

Das in der Figur dargestellte Grundlayout für einen Rinnenkollektor gemäss der vorliegenden Erfindung ist symmetrisch bezüglich einer mittig längs der durch den Konzentrator 33 gebildeten Rinne verlaufenden Symmetriebene, die durch die strichpunktierte Linie 43 angedeutet ist.

Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Rinnenkollektors 1. Eine Trägerstruktur 50 teilt den Konzentrator 51 in mehrere, hier zwei längs verlaufende Bereiche 52,53, die v-förmig gegeneinander geneigt und, da druckbeaufschlagt, je sphärisch gekrümmt sind. Die konzentrierten Sonnenstrahlen 30', 31' fallen je auf einen zugeordneten Bereich 55,56 eines entsprechend ausgebildeten Sekundärkonzentrators 54, und gelangen als durch diesen weiter konzentrierte Strahlen 30", 31" zur Absorberleitung 42. Der Konzentrator 51 und der Sekundärkonzentrator 54 sind somit je in zwei längs verlaufende, zu einander symmetrische Bereiche 52,53 und 55,56 aufge- teilt.

Bei nicht wesentlich vergrösserter Bauhöhe der Druckzelle 25 besitzt diese Anordnung den Vorteil, dass nur wenig oder kein Schatten auf die Konzentratorbereiche 52,53 fällt und die Absorberleitung 42 selbst durch Sonnenlicht be- leuchtet ist.

Figur 4 zeigt eine weitere, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Kollektors 1. Der Konzentrator 60 weist zwei längs verlaufende reflektie-

rende Bereiche 61,62 auf, die einen Mittelstreifen 63 zwischen sich einschlies- sen, der vorteilhafterweise zur Tragstruktur des Rinnenkollektors gehört und damit begehbar ist. Dadurch ist die über dem Mittelstreifen 63 verlaufende Absorberleitung 64 für Montage und Wartung leicht zugänglich, so wie der ebenfalls über dem Mittelstreifen 63 verlaufende und unter dem transparenten Membranabschnitt 26 angeordnete Sekundärkonzentrator 65, welcher seinerseits zwei Bereiche 66,67 besitzt, die jeweils die Sonnenstrahlung 30',3I ¹ aus dem ihnen zugeordneten Bereich 61,62 des Konzentrators 60 weiter, gegen die Absorberleitung 64 hin, konzentrieren. Diese Anordnung besitzt eine gegen- über derjenigen von Figur 2 unverändert geringe Bauhöhe, ist günstig für Montage und Wartung, aber zusätzlich unempfindlich gegen den Schattenwurf des Sekundärkonzentrators, da die beiden Bereiche 61,62 des Konzentrators 60, weil von einander durch den Mittelstreifen 63 getrennt, nicht oder nur marginal vom Schatten erreicht werden können.

Grundsätzlich ist es wünschenswert, den Brennlinienbereich so klein wie möglich auszubilden, was zu einer hohen Temperatur und damit zu einem verbesserten Wirkungsgrad der thermischen Maschinen des Solarkraftwerks führt. Andererseits können in einem Brennlinienbereich, der sich der idealen Brennli- nie nähert, Temperaturen entstehen, die eine aus Metall bestehende, konventionelle Absorberleitung lokal zum Glühen bringen.

Die Temperaturverteilung an der Absorberleitung 42,64 wird von der Auslegung des Sekundärkonzentrators 40,54,65 wesentlich mitbestimmt, da der Konzentrator als druckbeaufschlagte Membran stets sphärisch gekrümmt ist. Eine im konkreten Fall gewünschte Temperaturverteilung an der Absorberleitung 42,64 wird durch entsprechende Krümmung des Sekundärkonzentrators 40,54,65 bzw. seiner Bereiche 55,56 oder 66,67 quer zur Länge erreicht. Ein geeignetes Profil der Krümmung kann der Fachmann z.Bsp. durch Versuche leicht ermitteln. So kann z.Bsp. eine kleine Laserlampe auf einer Schiene parallel verfahren werden (was die Strahlen der Sonne simuliert) und über einen senkrecht zum Strahl aufgestellten reflektierenden schmalen Streifen (mit der Krümmung des Konzentrators) durch Parallelverschiebung der Lampe der

Brennlinienbereich des Konzentrators dargestellt werden. Am Ort des Sekun- därkonzentrators wiederum befindet sich ein zweiter reflektierender schmaler Streifen (ebenfalls senkrecht zum Strahl angeordnet), dessen Krümmung laufend veränderbar ist, solange, bis das gewünschte Resultat für den sekundären Brennlinienbereich erreicht oder eine Brennlinie erzeugt worden ist.

Hier ist anzufügen, dass die ideale Brennlinie wegen dem Durchmesser der Sonne grundsätzlich nicht erzeugt werden kann. über die gestellte Aufgabe hinaus ergibt sich bei der erfindungsgemässen Konfiguration durch die Ver- Wendung eines Sekundärkonzentrators 40,54,65 in der sich konzentrierenden Strahlung30',31' der erhebliche Vorteil, dass der Lichtpfad zwischen dem Kon- zentrator 33,60,65 und der Absorberleitung 42, 64 kürzer ist, als es in einer vergleichbaren Konfiguration ohne Sekundärkonzentrator 40,54,65 der Fall wäre; damit ist die Defokussierung kleiner und eine der theoretischen verbessert angenäherte Brennlinie erreichbar.

Vorteilhafterweise besteht der Sekundärkonzentrator 40,54,65 aus einem Profil aus Blech (oder aus zwei solchen Profilen, die dann die Bereiche 55,56 oder 66,67 des Sekundärkonzentrators bilden), das langgestreckt, quer zu seiner Länge gekrümmt ist und auf seiner konkaven Seite eine reflektierende Schicht besitzt. Der Fachmann bestimmt dann (wie oben erwähnt, gegebenenfalls durch Versuche) die gewünschte Krümmung des Profils so, dass in der vorbestimmten relativen Lage von Konzentrator 33,60,65 und Sekundärkonzentrator 40,54,65 der gewünschte Brennlinienbereich entsteht. Alternativ, je nach Aus- bildung der Absorberleitung 64 (s. unten, Fig. 6) kann natürlich auch eine Brennlinie an Stelle eines Brennlinienbereichs angestrebt werden.

Die vorbestimmte Krümmung kann auch durch eine Anzahl gerade Abschnitte angenähert werden, die dem Profil der Krümmung folgen; wird ein Blechprofil verwendet, ist die herzustellende Profilform leicht durch ein- oder mehrfaches Abkanten herzustellen.

Andererseits kann die gewünschte Profilform leicht durch Umformung eines

Blechs in einer Presse hergestellt werden, was erlaubt, den Brennlinienbereich (oder die Brennlinie) genau zu definieren. Die reflektierende Schicht kann vor oder nach dem Umformvorgang auf das Blech bzw. auf die konkave Seite des erzeugten Blechprofils aufgebracht werden.

Mit anderen Worten ist es so, dass auch der Sekundärkonzentrator 40,54,65 einfach und robust aufgebaut und von vergleichsweise geringem Gewicht ist; weiter ist auch er leicht transportabel und kann gegebenenfalls vor Ort hergestellt werden.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Druckzelle 70 für einen Rinnenkollektor 1, die durch den Konzentrator 71 in einen ersten Druckraum 72 und einen zweiten Druckraum 73 unterteilt wird. Eine die Sonnenstrahlung 30,31 reflektierende Seite 74 des Konzentrators 71 ist dem transparenten Bereich des mindestens teilweise transparenten Membranabschnitts 26 zugewendet. Die Figur zeigt weiter eine der Sonnenstrahlung abgewandte Seite 75 des Konzentrators 71. Im ersten Druckraum 72 herrscht ein höherer Druck als im zweiten Druckraum 71, so dass der Konzentrator unter Betriebsdruck sphärisch gekrümmt ist und die Strahlung 30, 31 auf den Se- kundärkonzentrator konzentriert.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der betriebsfähige Druckunterschied in den Druckräumen 72,73 sehr klein gehalten werden kann, was erlaubt, den Konzentrator 71 entsprechend dünnwandig auszubilden und damit eine reflektierende Beschichtung von hoher Qualität vorzusehen. Demgegenüber können die Membranabschnitte 26 und 75 robust ausgebildet sein.

Im ersten Druckraum 72 wird der Betriebsdruck durch eine vorzugsweise als Luftleitung 77 ausgebildete Fluidleitung aufgebracht, wobei als Fluidpumpe vorzugsweise ein Ventilator 78 vorgesehen ist. Der zweite Druckraum 73 wird über eine überströmleitung 79 gespiesen, die die beiden Druckräume 72,73 mit einander verbindet. Der (geringe) Druckunterschied zwischen den Druckräumen 72,73 wird durch eine weitere als Ventilator 80 ausgebildete Fluidpum-

pe erzeugt. Er ist kleiner ist als 0.5 mbar, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0.05 bis 0.2 mbar, und besonders bevorzugt im Bereich von 0.05 bis 0.1 mbar.

Durch diese Mittel wird in den Druckräumen 72,73 betriebsfähig Druck je in einem vorbestimmten Mass erzeugt und gehalten, wenn im Betrieb das Volumen eines oder beider Druckräume 72,73 durch äussere Einflüsse wie z.Bsp. Wind, verändert wird. Dies ist besonders dann der Fall, wenn durch Windböen die Wölbung des Membranabschnitts 26 oder 26 eingedrückt oder anders verformt wird. Durch die vorgesehenen Mittel bleibt der Differenzdruck immer im Wesentlichen konstant, so dass der dünnwandig ausgebildete Konzentrator seine sphärische Form behält und auch nicht überbeansprucht werden kann: verkleinert sich das Volumen der Druckräume, kann die eingeschlossene Luft gegebenenfalls auch gegen die Arbeitsrichtung der Ventilatoren schnell ausströmen. Diese Konfiguration mit gekoppelten Ventilatoren 78,80 ergänzt die günstigen Eigenschaften der erfindungsgemässen Druckzelle 25, d.h. erlaubt den Einsatz eines Konzentrators mit qualitativ hochstehender reflektierender Beschichtung, ohne dass die Druckzelle durch ein eigenes Fachwerk (oder andere Massnah- men) gestützt werden muss. Eine Druckzelle 70 mit zwei Druckräumen 72,73 der genannten Art ist in der PCT/CH2007/000480 derselben Anmelderin beschrieben, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, insbesondere im Hinblick auf die Ausführbarkeit und auf den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 zeigt eine Absorberleitung 70, mit einem Mantel 77, der die Wärmeabgabe nach aussen reduziert, aber eine in ihm längs verlaufende thermische öffnung 72 aufweist, die den Durchtritt von vom Sekundärkonzentrator 40,54,65 konzentrierter Sonnenstrahlung 30", 31" durch den Mantel 77 hindurch in den Innenraum 73 der Absorberleitung 70 hinein erlaubt. Dadurch wird die konzentrierte Wärme der Absorberleitung von innen her zugeführt, so dass der Mantel 77 einfach und einwandfrei isoliert werden kann. Das die Wärme transportierende Fluid zirkuliert in dem zwischen dem Innenraum 73 und dem Mantel 77 gebildeten ringartigen Raum 75. Die vorzugsweise wellen-

förmig ausgebildete Innenraumwand 76 streut lokal eingefallene Sonnenstrahlung durch mehrfache Reflektion diffus auf ihre gesamte Oberfläche, bis sie vollständig absorbiert ist.

Diese Konstruktion erlaubt gegenüber den Absorberleitungen des Stands der Technik eine verbesserte Isolation gegen Wärmeverlust und ergänzt diesbezüglich die Vorteile, die sich durch die vorliegende Erfindung ergeben. Wird die Krümmung des Sekundärkonzentrators auf eine möglichst kleine thermische öffnung 72 abgestimmt, ergibt sich eine optimale Wärmenutzung durch einen Rinnenkollektor gemäss der vorliegenden Erfindung. .

Fig. 7 zeigt nun in die Anordnung von Fig. 4 gelegtes x,y - Koordinatensystem mit den im erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Vektoren, wobei das Koordinatensystem in einer Querschnittsebene, hier des Sekundärkonzentra- tors 65, liegt. Natürlich auch in einen Querschnitt durch den Rinnenkollektor 20 (Fig. 2) oder in einen Kollektor beliebiger Bauart eingelegt werden.

Zur Illustration ist in Fig. 7 der Mittelstreifen 63 angedeutet, der jedoch für den nachstehend geschilderten Berechnungsgang keine Rolle spielt. Ersichtlich sind der gegebene Konzentrator 32, 62, der im dargestellten Querschnitt, vorliegend da druckbeaufschlagt, kreisbogenförmig ausgebildet ist, und für den ein Sekundärkonzentrator 40,65 bestimmt werden soll. Weiter ersichtlich ist der Sonnenstrahl 31, der am Konzentrator 32,62 reflektierte Sonnenstrahl 31' und der am Sekundärkonzentrator wiederum reflektierte (gestrichelt dargestellte) Sonnenstrahl 31", der auf das strichpunktiert angedeutete Absorberrohr 42,64 auftrifft und von diesem absorbiert wird. In der Figur ist das Absorberrohr 42,64 durch den Brennpunkt bzw. einen Punkt auf der Brennlinie F(0;y _φ ) dargestellt. Das Absorberrohr 42,64 ist also ebenso wie der Konzentrator 32,62 vorbestimmt, d.h. für den Berechnungsgang vorgegeben.

Im den nachfolgend beschriebenen Schritten des Herstellverfahrens des Sekundärkonzentrators 40,65 sind Vektoren durch eine Unterstreichung als solche gekennzeichnet.

C(X _c JY _c ) bezeichnet den Krümmungsmittelpunkt des vorgegebenen Konzentra- tors 32,62. PM(φ) bezeichnet einen allgemeinen Punkt auf dem Konzentrator 32,62 (bzw. auf der Konzentratoroberf lache); R _M den Krümmungsradius des Konzentrators 32,62, der durch den Punkt PM(φ) läuft, wo φ der Winkel von R _M zur y-Achse ist.

Mit anderen Worten werden über den Winkel φ alle Punkte auf dem Konzentrator 32,62 bezeichnet, von denen aus die Sonnenstrahlung 31 in das Absorber- röhr 42,64 reflektiert werden soll.

Die Vektoren s(φ), s'(φ) und s"(φ) sind Einheitsvektoren im Pfad der jeweiligen Sonnenstrahlen (und werden nachstehend der Einfachheit halber nicht mehr jedes Mal explizit als Funktion von φ dargestellt): s liegt im Pfad des Sonnenstrahls 31, s' liegt im Pfad des am Konzentrator 32,62 reflektierten Strahls 31' und s" im Pfad des am Sekundärkonzentrator reflektierten Strahls 31".

R _M bildet als Krümmungsradius das Lot auf den Konzentrator im Punkt PM(φ). Einfallender und reflektierter Strahl bilden denselben Strahl zum Lot, entsprechend sind die Winkel zwischen R _M und dem Stahl 31 sowie R _M und s' gleich gross und gleich φ.

Der reflektierte Strahl 31' trifft den Sekundärkonzentrator 40,65 im Punkt SM(φ,k), wobei der Wert von k als Streckungsfaktor für s' unbekannt ist.

t _SM (φ) ist Tangente an den Sekundärkonzentrator 40,65 im Punkt SM(φ,k).

Die Einheitsvektoren s' und s" schliessen zwischen sich einen Winkel 2α ein. Da ts _M Tangente an den Sekundärkonzentrator 40,65 im Punkt SM(φ,k) ist, ist sie damit auch Winkelhalbierende zwischen s' und s", gemäss dem oben erwähnten Grundsatz, wonach einfallender und reflektierter Strahl denselben Winkel zum Lot einnehmen. (t _S M steht als Tangente senkrecht zum Lot im Punkt

SM£φ,k)).

Wird nun der unbekannte Faktor k so bestimmt, dass s" durch den Brennpunkt F (bzw. das Absorberrohr 42,64 geht, ist SM(φ,k) bekannt. Damit die Form der reflektierenden Oberfläche des Sekundärkonzentrators 40, 65 bekannt, da jedem Wert φ (d.h. jedem bestrahlten Punkt auf der Oberfläche des Konzentra- tors) ein korrespondierender Punkt auf der Oberfläche des Sekundärkonzentrators 40,65 zugeordnet werden kann, welche korrespondierenden Punkte zusammen die Oberfläche des gesuchten Sekundärkonzentrators 40,65 bilden.

Zusammenfassend ist die Vektorsumme der Vektoren C + CPM(φ) + k-s ¹ gleich dem Vektor SM(φ,k), der im Koordinatensystem den jeweiligen, einem Winkel φ entsprechenden, Punkt auf der reflektierenden Oberfläche des Sekundärkonzentrators 40,65 entspricht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Herstellverfahrens wird k dadurch bestimmt, dass die Skalarprodukte s ^{1 ■} t _SM (φ) und s" ^■ & _M (ψ) ZU S' ^■ t _SM (φ) = s" • ts _M (φ) gleichgesetzt werden, da der je eingeschlossene Winkel α gleich gross ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform präsentiert sich die Rechnung wie folgt:

und damit ist

Die Gleichung des Sekundärkonzentrators 32,62 hat, s. oben, die Form

/

womit die Tangente ts _M (φ) als Ableitung des Ausdrucks r

wird zu

s" ist:

Die Wurzel im Nenner der Gleichung für s", abgekürzt wird nicht mehr weiter analytisch aufgelöst.

Nun sind s', s" und tsM(φ) berechnet, können also in s' ^■ t _S M(φ) = s" ^■ t _SM (φ) eingesetzt werden.

Es ergibt sich, dass

und dass

werden die oben erhaltenen Werte für s ^{1 ■} t _SM (φ) und s" ^■ is _M (φ) in die Gleichung s ^{1 ■} t _SM (φ) = s" ^■ t _SM (φ) eingesetzt und diese nach dk / dφ aufgelöst, ergibt sich ein wegen ^" -J ^** elliptischer Ausdruck der analytisch nur aufwendig integrierbar ist.

Einsprechend wird die oben erhaltene Funktion

in noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform als K = k(φ) numerisch bestimmt. Der Fachmann kann dies durch das Programm mathcad der Firma mathsoft ohne weiteres tun.

Die erhaltenen Werte für k(φ) können dann in SM(φ) eingesetzt und dadurch

die Form des Sekundärkonzentrators 40,65 durch eine Linie von Punkten bestimmt werden. Z.B. die Methode der kleinsten Quadrate liefert dann eine kontinuierliche Form, die der idealen Form mit der ansteigenden Anzahl der bestimmten Punkte SM(cp) (bzw. kleiner werdendem Intervall für δφ ) immer nä- her kommt.

Der Fachmann kann nun wählen, ob die oben erwähnte Linie von Punkten mit grosserem oder kleinerem δφ bestimmt wird, d.h. ob die Punkte weniger eng oder enger zusammen liegen, so dass ein Brennlinienbereich oder eine exakte Brennlinie am Ort des Absorberrohrs 42,64 entsteht. Dadurch kann er im konkreten Fall die oben in Zusammenhang mit Figur 3 beschriebene Temperaturverteilung auf dem Absorberrohr im gewünschten Sinn beeinflussen.

Wegen des Durchmessers der Sonnenscheibe gelangen die Sonnenstrahlen 31 nicht nur parallel auf den Konzentrator 32,62, sondern mit einem öffnungswinkel von ca. 0,5 Grad. Entsprechend kann über das oben beschriebene Verfahren z.B. die Form des Sekundärkonzentrators 40,65 je für einen Einheitsverk- tor s bestimmt werden, der parallel zur y-Achse verläuft, und für einen Einheitsvektor s, der um 0,25 Grad nach links und nach rechts zur y-Achse ge- neigt ist. Es ergeben sich dann drei Formen für den Sekundärkonzentrator 40,65, respektive ein Bereich, in dem dessen Oberfläche liegen soll, in welchem eine Optimierung vorgenommen werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden zur Vereinfachung die einfal- lenden Sonnenstrahlen als parallel angenommen, wobei sie besonders bevorzugt parallel zur Mittel-Symmetrieebene des Konzentrators 32,62 liegen.

Das oben angegebene Verfahren erlaubt, den Einheitsvektor s ¹ auch bei nicht kreisbogenförmigem Konzentrator anzugeben, z.B. dann, wenn dieser Parabel- förmig ausgebildet ist. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch der Konzentrator 32,62 im Querschnitt als bogenförmig angenommen.

Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäs- sen Herstellverfahrens wird der Ursprung des Koordinatensystems im Krümmungsmittelpunkt C des Konzentrators 32,62 angenommen.

Ist die Form der reflektierenden Oberfläche Sekundärkonzentrators 40,65 einmal bestimmt, kann sie auf den Sekundärkonzentrator übertragen werden, vorzugsweise auf einen Block aus geeignetem Schaumstoff, der den Körper des Sekundärkonzentrators bildet, worauf die dann der Kurve entsprechend bearbeitete Oberfläche des Schaumstoffs mit einer reflektierenden Folie bedeckt, und so ein in den Rinnenkollektor einbaufähiger Sekundärkonzentrator 40,65 hergestellt wird. Besonders bevorzugt besitzen solche Schaumstoffblöcke eine einheitliche Länge von z.B. 2m und werden dann für die zu bestückenden Rinnenkollektoren zusammengesetzt eingebaut.

Damit ergibt sich ein betriebsfähiger Sekundärkonzetrator 40,65, der auf einen vorgegebenen Konzentrator 32,62 sowie ein vorgegebenes Absorberrohr 42,64 abgestimmt ist. Obschon solch ein Sekundärkonzentrator 40,65 für den Einbau in eine Druckzelle besonders geeignet ist, kann er natürlich auch ohne Druckzelle in konventionellen Rinnenkollektoren Verwendung finden (z.B. im Hinblick auf den oben erwähnten, verkürzten Strahlengang). Ebenso kann das erfin- dungsgemässe Verfahren z.B. in Dish-Sterling Kollektoren mit rundem (und nicht rinnenförmigem) Konzentrator eingesetzt werden, wenn die Strahlung durch ein Loch im Konzentrator auf einen Punkt konzentriert werden soll, der hinter dem Konzentrator liegt.