DE2736907A1

DE2736907A1 - Strahlungslenkvorrichtung

Info

Publication number: DE2736907A1
Application number: DE19772736907
Authority: DE
Inventors: Roland Winston
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1976-08-16
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1978-02-23
Also published as: GB1580852A; JPS622562Y2; JPS59112202U; JPS5323648A; FR2362408A1; CA1074648A; US4114592A; FR2362408B1; DE2736907C2

Description

PATENTANWAtT DIPC-ING 8000 MÜNCHEN 22

KARL H. WAGNER GEWORZMOHLSRASSE

16. August 1977 77-R-2799

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, V.St.A.

Strahlungslenkvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine zylindrische Strahlungsenergielenkvorrichtung mit einem brechenden Medium. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf Strahlungsenergieübertragungsvorrichtungen, und zwar insbesondere auf Ubertragungsvorrichtungen mit entgegengesetzt liegenden reflektierenden Seitenwänden, die in einer konzentrierenden Betriebsart betätigbar sind, wodurch auf einer Eintrittsfläche eintretende Energie auf einer Austrittsfläche mit kleinerer Fläche als die Eintrittsfläche gelenkt und konzentriert wird. Verfahren zur Erzeugung der idealen Seitenwandform für einen solchen Collector oder eine übertragungsvorrichtung sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben: Solar Energy, Band 16, Nr. 2, Seiten 89-95 (1974)ι U.S. Patent 3 923 381 und U.S. Patent 3 957 031; DT-OS 25 33 530 und Deutsche Patentanmeldung P 27 09 284. Die Literaturstelle "Applied Optics", Band 15, Nr. 2, Seiten 291-292 von Februar -1976 beschreibt die Anwendung der obigen Prinzipien hinsichtlich der idealen reflektierenden Seitenwandform bei übertragung und Lenkungsoberflächen an der Grenz- oder iwischenflache von homogenen Medien mit unterschiedlichen BrechungsIndizes

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für Strahlungsenergie. Auf die genannten Literaturstellen wird ausdrücklich Bezug genommen und sie werden zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht.

Die die erwähnten Prinzipien verwendenden Vorrichtungen kennzeichnen sich dadurch, daß die Seitenwandform durch die Definition bestimmt ist, daß die auf die Wand einfallenden Extremstrahlen derart einfallend auf die Austrittsoberfläche geleitet werden, daß sie einen vorbestimmten Winkel aufweisen, der gleich oder kleiner als 90° ist. In allen diesen Fällen werden jedoch sämtliche Extremstrahlen in gleicher Weise gebrochen zwischen ihrem Durchlauf zwischen Eintrittsöffnung, Seitenwänden und Austrittsöffnung. Es wurde dabei nicht die ungleichmäßige Brechung von Extremstrahlen berücksichtigt.

Bei bestimmten Konzentrationsfällen haben die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik die Tendenz, relativ hohe Seitenwände bezüglich der Eintrittsfläche aufzuweisen. Da die Seitenwandlänge stark zu den Vorrichtungskosten beiträgt, besteht das Verfahren des Standes der Technik zur Verminderung der Seitenwandlänge darin, die Vorrichtung stumpfförmig auszubilden und einfach ohne die oberen Teile der idealen reflektierenden Seitenwand auszukommen. Dies kann deshalb getan werden, da die oberen Teile keinen Hauptteil der Konzentrationsfähigkeit solcher Vorrichtungen beitragen. Bei bestimmten Anwendungsfällen ist jedoch die volle Konzentration erwünscht und eine vollständig ideale Vorrichtung wäre zweckmäßig. Zudem kann das solide dielektrische Medium mit totaler Innenreflexion recht teuer wer den, und zwar deshalb, weil die Gesamtfläche des Collectors zwischen den reflektierenden Seitenwänden aus einem teuren dielektrischen Material besteht.

Die Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, eine verbesserte Strahlungsenergie-Lenkvorrichtung vorzusehen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Strahlungs- energiekonzentrations- und Saramel-Vorrichtung anzugeben. Ferner

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bezweckt die Erfindung, einen Solarcollector vorzusehen, der ein brechendes oder refraktives Element aufweist und eine ideal geformte reflektierende Wand besitzt. Die Erfindung hat sich ferner zum Ziel gesetzt, einen soliden Solarkonzentrator vonvereinfachtem Aufbau vorzusehen, der billigere Materialien als die bekannten Vorrichtungen verwendet.

Zusammenfassung der Erfindung. Eine erfindungsgemäße Strahlungsenergie-Lenkvorrichtung weist folgendes auf: Ein brechendes Element, welches ungleichmäßig die einfallenden Extremstrahlen bricht, wobei ferner eine reflektierende Seitenwand vorgesehen ist. Die Vorrichtung ist derart konstruiert, daß die Energie zwischen einer Eintrittsoberfläche und einer Austrittsoberfläche geleitet oder gelenkt wird, wobei die Austrittsoberfläche eine kleinere Größe besitzt als die Eintrittsoberfläche. Auf die Eintrittsoberfläche auffallende Energie wird gebrochen, bevor sie auf die reflektierende Seitenwand auftrifft, welche sodann die einfallende Energie zur Austrittsoberfläche leitet.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Strahlungsenergielenkvorrichtung, welche eine Linse und eine reflektierende Wand kombiniert;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Strahlungsenergielenkvorrichtung, die eine nicht planare Eintrittsoberfläche, ein reflektierendes Medium und eine reflektierende Wand kombiniert;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Energievorrichtung, welche ein nicht homogenes brechendes Medium und eine reflektierende Wand kombiniert;

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Fig. 4 eine konusförmige Vorrichtung, welche die Prinzipien der Fig. 1, 2, 3 und 7 verwendet;

Fig. 5 ein trogförmiges Gebilde, welches als ein primärer Solarenergiecollector verwendet wird;

Fig. 6 ein trogförmiges Gebilde, welches als ein Sekundärcollector verwendet wird;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung unter Verwendung interner Totalreflexion.

tie Fig. 1, 2, 3 und 7 zeigen die Querschnitte von zylindrischen elektromagnetischen Energielenk- oder -leitvorrichtungen. Da es sich bei der beschriebenen Vorrichtung um eine zylindrische Lenkvorrichtung handelt, wird der körperliche Aufbau der Vorrichtung dadurch gebildet, daß man den gezeigten Querschnitt längs einer Achse senkrecht zur Querschnittsebene verlängert, um so ein trogartiges Gebilde zu formen, welches noch unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 beschrieben werden wird. Es sei bemerkt, daß für eine spezielle Art der gezeigten Vorrichtungen, nämlich die Art, wo die Austrittsoberfläche flach ist, der gezeigte Querschnitt auch um eine Achse durch die flache Austrittsoberfläche rotiert werden kann, um das konusartige Gebilde gemäß Fig. 4 zu bilden.

Die Funktion einer solchen Vorrichtung bei Verwendung als eine Konzentrations-, und Sammelvorrichtung für Strahlungsenergie besteht darin, die Strahlungsenergie von Quelle 10 zu konzentrieren, d.h. von der auf die Eintrittsoberfläche 12 auftretenden Energie, wobei die Konzentration an der Austrittsoberfläche 14 stattfindet. An der Austrittsoberfläche 14 kann ein Energieabsorber vorgesehen sein, wenn die Vorrichtung als eine Konzentrationsvorrichtung verwendet wird oder aber es kann ein Energieübertrager oder -sender vorgesehen sein, wenn die Vorrichtung als eine Energieübertragungsvorrichtung oenutzt wird. Wenn ein Energieabsorber verwendet wird, so kann as sich dabei beispielsweise um ein ein Strömungsmittel enthaltendes Rohr, eine Fotozelle oder irgendeine andere Art von Energieempfänger handeln» der auf Strahlungsenergie

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anspricht. Die Quelle 1O kann durch die Kantenpunkte 16 und 18 definiert werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Entwicklung der Form der Seitenwände zur Reflexion von auf die Seitenwände auftreffende Energie auf die Oberfläche 14, die zwischen Achse 2O und Quelle 10 liegt. Die Oberfläche 14 ist auf die konvexe Form beschränkt, so daß jede Linie tangential zu irgendeinem Punkt auf der Oberfläche 14 die Oberfläche 14 nicht kreuzt. Es sei bemerkt, daB eine konvexe Oberfläche 14 definitionsgemäß eine flache,ebene (planare) Oberfläche umfaßt, die sich längs Achse 2O erstreckt. Achse 2O ist eine die Kantenpunkte 22 und 24 der Austrittsoberfläche 14 verbindende Linie. Die Kantenpunkte 22 und 24 befinden sich am Schnitt der Austrittsoberfläche 14 mit der Achse 2O.

An die Eintrittsoberfläche 12 ist - vgl. Fig. 1 - eine Linse 25 angeordnet. Bei der Linse handelt es sich um eine Vorrichtung, welche einfallende Energie derart konvergiert oder divergiert, daß eine Umhüllende von Parallelstrahlen der Energie bestrebt ist, eine Konzentration ,an einem bestimmten Punkt oder eine Divergierung von einem bestimmten Punkt, nämlich dem Brennpunkt, vorzusehen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Linse 25 konvergierend, d.h. sie hat einen Brennpunkt 27, der es gestattet, daß Energie von Quelle 1O die entgegengesetzt liegenden reflektierenden Seitenwände 30 und 32 erreicht. Eine typische Linse 25 wäre beispielsweise eine Fresnel-Linse.

Allgemein gesagt sind Linsen keine perfekten optischen Vorrichtungen und besitzen Aberrationen. Vom derzeitigen Standpunkt der Konstruktion idealer Strahlungskonzentrationsvorrichtungen aus gesehen werden sämtliche Aberrationen in der Querebene (oder Meridianebene), abgesehen von chromatischen Aberrationen, korrigiert oder kompensiert durch geeignete Formung der reflektierenden Seitenwände. Da Aberrationen nicht von Natur aus die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems begrenzen, können aus Gründen der Klarheit die Li lsenleistungseigenschaften idealisiert werden,.und zwar unter Bezugnahme auf Brennpunkte und Punktbilder,

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und zwar bei der Übereinkunft, daß die tatsächliche Form der reflektierenden Seitenwand konstruiert ist für die Eigenschaften der tatsächlich verwendeten Linse zusammen mit deren Aberrationen.

Die Aussenoberfläche der Linse 25 fällt mit der Eintrittsoberfläche 12 zusammen. Es sei die Arbeitsweise der Linse 25 auf Extremstrahlen betrachtet, wobei Linse 25 solche Strahlen zu einem Punkt hin konvergiert. Für eine Quelle 10 mit endlichem Abstand gegenüber dem Collector werden die Extremstrahlen von dem konjugierten Kantenpunkt der Quelle 10 gegenüber jeder der Seitenwände 30 und 32 erzeugt. Somit variiert der Winkel, den jeder Extremstrahl, wie beispielsweise Strahlen 34, 35, 36, 38, 39 und 40, mit einer Bezugsachse 41 bildet, die durch Oberfläche 14 verläuft. Wenn jedoch der Abstand von der Quelle 10 zum Collector sich unendlich nähert, so werden die Extremstrahlen parallel und der Winkel, den jeder der Extremstrahlen mit der Achse 41 bildet, ist gleich. Bei der Konstruktion eines primären Solarcollectors wird im allgemeinen angenommen, daß es sich bei der Sonne um eine unendlich entfernt gelegene Quelle handelt, wohingegen für einen Sekundärcollector der Primärcollector als eine endliche Quelle betrachtet wird. Der Ausdruck "Extremstrahlen" wird verwendet, um Strahlen zu bezeichnen, die von konjugierten Kantenpunkten einer Quelle mit endlichem Abstand gegenüber dem Collector ausgehen oder den angenommenen parallelen Extremstrahlen von einer Quelle mit unendlichem Abstand vom Collector (beispielsweise die konjugierten Kantenpunkte sind zwei Positionen der Sonne). Diese Strahlen werden verwendet, um die Idealform für die Seitenwände zu bestimmen, und sowohl im endlichen als auch im unendlichen Falle gibt es nur einen Extremstrahl, aus dem jeder Punkt der Seitenwandform bestimmt ist.

Die Strahlen 34, 35, 36, 38, 39 und 40, welche auf die Eintrittsoberfläche 12 und dadurch auf die Linse 25 auftreffen, haben die Tendenz, nach dem Hindurchgang durch die Linse längs Strahlen 42, 43, 44 und 45, 46 und 47 zu konvergieren. Die Seitenwände 30 und 32 sind derart geformt, daß sämtliche auf die Oberfläche 12 und damit die Linse 25 auftreffende Energie

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innerhalb eines gegebenen annehmbaren Winkels auf die Oberfläche 14 geleitet wird, und zwar nach der Brechung durch die Linse Für eine Lichtquelle von endlichem Abstand vom Collector ist der Aufnahmewinkel A bzw. B für jede Wand 30 bzw. 32 bestimmt durch den Extremstrahl von einem Kantenpunkt 16 oder 18, gebrochen durch die Linse 25, und auftreffend auf den konjugierten Punkt 22 oder 24, d.h. Linien 34 und 42 und 40 und 47. Der Einfallswinkel an den Punkten 22 und 24 ist ein vorbestimmter Wert gleich oder weniger als Ϊ« /2. Wenn li /2 für jede Seite der Achse 41 gewählt wird, dann sind die Linien 42 und 47 tangential zur Oberfläche 14. Für eine Quelle mit unendlichem Abstand gegenüber dem Collector werden alle Extremstrahlen als parallel angesehen und die Winkel A und B werden willkürlich durch den Konstrukteur ausgewählt. In jedem Falle wird jeder Extremstrahl, seien es die Parallelstrahlen von der unendlichen Quelle oder die Nicht-Parallelstrahlen von den Kantenpunkten der endlichen Quelle, nach der Brechung durch jede Seitenwand 30 und 32 auf die Austrittsoberfläche 14 geleitet. Die Idealform jeder Seitenwand 30 und 32 wird durch die Regel bestimmt, daß darauf auftreffende Extremstrahlen sodann auf die Oberfläche 14 mit einem speziellen Winkel C auftreffend geleitet werden. Dieser Winkel C ist gleich oder kleiner 90 entsprechend den Prinzipien des beschränkten Austrittswinkels definiert durch die erwähnte deutsche Patentanmeldung P 27 09 284.8. Auf diese Literaturstelle wird ausdrücklich Bezug genommen; eine Kopie dieser Anmeldung ist beigefügt. Daher leitet die Wand 32 den einfallenden Strahl 35 längs Pfad 48, um auf Oberfläche 14 an Punkt 49 mit einem Winkel C bezüglich Linie 51 aufzutreffen, die senkrecht zur Oberfläche 14 am Punkt 49 verläuft. Wand 30 leitet den einfallenden Strahl 39 längs Pfad 53, um auf Oberfläche 14 mit Winkel C am Punkt 55 aufzutreffen. Man erkennt, daß diese Vorrichtung mit konvergierender Linse kürzere Seitenwände 30 und 32 besitzt als die Kombination, die nur die reflektierende Wand verwendet, da die Linse alle Extremstrahlen zusammenhäuft oder zusammen" trägt, um sie nicht ungebeugt oder gleichmäßig gebeugt wie beim Stand der Technik beläßt. Diese Konstruktion verleiht der Form der Seitenwände die maximal mögliche Neigung, und zwar konsistent mit der Bedingung, daß die Extremstrahlen auf die Auetrittsoberfläche 14 unter dem vorgeschriebenen Winkel C auftreffen.

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Xl

Diese Konstruktionsvorschrift ergibt maximal konzentrierende Gebilde, welche Maximalkonzentration für eine gegebene Gesamtlänge erzeugen, und zwar entsprechend verschiedenen auferlegten Bedingungen, wie beispielsweise der Geometrie der Quelle, der Eintrittsoberfläche, der Austrittsoberfläche und des maximalen Einfallswinkels C.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Hier ist das brechende Element ein homogenes Material 60, angeordnet zwischen der Eintrittsoberfläche 12 und der Austrittsoberfläche 14 und zwischen den reflektierenden Seitenwänden 62 und 64. Um die konvergierende Brechung zu erzeugen, sind Oberfläche 12 und der Teil des Materials 60, der mit der Oberfläche 12 zusammenfällt, konvex bezüglich des Materials 60 gekrümmt. Diese Krümmung gestattet, daß das Material 60 auf die innerhalb der Winkel A und B einfallenden Strahlen in der gleichen Weise wie eine Linse gemäß Fig. 1 wirkt. Hier sind wiederum die Wände 62 und 64 derart geformt, daß sämtliche Extremstrahlen derart geleitet werden, daß sie auf der Oberfläche 14 mit dem Winkel C auftreffen. Somit wird der Strahl längs Bahn 68 durch Material 60 gebrochen und wird sodann durch Wand 64 längs Pfad 70 geleitet, um auf die Oberfläche 14 mit dem Winkel C am Punkt 72 aufzutreffen. Der Strahl 74 wird längs Pfad 76 durch Material 6O gebrochen und wird sodann durch Wand 62 längs Pfad 78 gelenkt, um auf die Oberfläche 14 unter dem Winkel C am Punkt 80 aufzutreffen.

Wenn in Fig. 2 die Oberfläche 12 linear statt konvex ist, so könnte das Material 60 ein nicht homogenes Material sein, welches einen Gradienten des Brechungsindex aufweist. Somit würden die Strahlen 68, 70, 76 und 78 nicht geradlinig verlaufen, sondern würden gemäß dem Gradienten gekrümmt sein. Um verminderte Seltenwandabmessungen zu erzeugen, würde der Gradient vorzugsweise in der Richtung höherer Brechungsindexwerte längs Achse 41 verlaufen,und der Brechungsindex würde sich vermindern, wenn man von der Achse 41 abweicht. In jedem Falle ist die Seitenwandform noch immer dadurch bestimmt, daß man die Bahn der Extremstrahlen zur Seitenwand führt und sie dann einfallend auf

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die Oberfläche 14 mit dem Winkel C leitet. Es sei jedoch bemerkt, daß nach der Reflexion durch die Seitenwände die Strahlen weiter gebrochen werden können, so daß die Seitenwandform dies berücksichtigen muß.

Der Grund, daß die brechenden-reflektierenden-Gebilde, die dem bereits erwähnten Extremstrahlkonstruktionsprinzip genügen, als Maximalkonzentrationsvorrichtungen die.nen, erkennt man durch Einführung der optischen Pfadlänge für das Bündel der Extremstrahlen.

Jr η ~k . dl (1)

^ri

Dabei ist η der Brechungsindex, der sich längs des Pfades ändern kann, und k ist die Strahlrichtung. Wir nehmen den Punkt r.. als auf der Kante der Quelle 10 liegend an (beispielsweise Punkt in Fig. 1) und r. wird als auf der Austrittsoberfläche 14 befindlich angenommen (beispielsweise Punkt 49 in Fig. 1). Die Konstruktionsvorschrift besteht darin, die Seitenwand (beispielsweise die Wand 32 in Fig. 1) derart zu formen, daß sie die maximale Neigung besitzt, und zwar konsistent damit, daß der Extremstrahl auf die Austrittsoberfläche 14 mit einem Einfallswinkel C reflektiert wird. Sodann ergibt sich durch Einführung der Bogenlänge (Arcuslänge) S längs der Austrittsoberfläche das folgende:

di" ^{= n k} · di" ^{= n Sln c}' <*)

dabei ist C der Einfallswinkel des Extremstrahls auf die Austrittsoberfläche. Daher gilt:

-J-

Δ W = In Sin C ds, (3)

was der Maximalkonzentration entspricht, und zwar konsistent alt dem angegebenen maximalen Einfallswinkel C auf der Eintrittsoberfläche. Man beachte, daß C eine Funktion von S über die Austritt· oberfläche sein kann, wobei S die gesamte Arcuslänge ist und in der Tat asymmetrische positive und negative Werte (-C¹, +C") besitzen kann, wenn gewünscht. Es ist zu beachten, daß W die optische Pfadlänge ist.

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-ie--

Zur Veranschaulichung des Inhalts der Beziehung 3 sei die Fig. 2 betrachtet mit dem Medium 60 von konstantem Brechungsindex n, dem externen Medium 81 mit dem Index 1 und einem konstanten Einfallswinkel C auf der Austrittsoberfläche 14. Aus Gründen der Einfachheit wird angenommen, daß Quelle und Collector symmetrisch bezüglich der Achse 41 angeordnet sind. Dann gilt:

= η(Sin C) S; (4)

jedoch ist

wobei I der Abstand von der Kante der Quelle 10 zu den Kantenpunkten der Eintrittsoberfläche (12) ist. Daher gilt:

S = (C₃₈ - C₄₀)/(n Sin C),

was die maximale Konzentration ist, und zwar konsistent mit den gewählten Hilfsbedingungen.

Die Seitenwände des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 sind reflektierend ausgebildet, und zwar dadurch, daß sie aus einem reflektierenden Material wie beispielsweise Aluminium oder Silber bestehen. Die Seitenwände des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 können ebenfalls aus einem reflektierenden Material bestehen, welches auf das homogene Medium 60 als Überzug aufgebracht ist oder aber es kann sich um ein festes (solides) reflektierendes Material handeln, welches das Medium 60 enthält. Zudem kann die Grens· zwischen Medium 60 und Aussenumgebung 81 in Fig. 2 derart gewählt sein, daß sämtliche Extremstrahlen durch interne Totalreflexion an der Grenze reflektiert werden, und zwar entsprechend den Lehren des eingangs erwähnten Artikels in "Applied Optic·". In Flg. 1 könnte ein dielektrisches Medium zwischen den Händen 30 und 32 angeordnet sein, welches ein die Wände 30 und 32 bildendes reflektierendes Material besitzen könnte oder interne Totalreflexion zeigen könnte.

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Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. In Fig. 3 ist das brechende Element eine Zusammensetzung aus homogenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, und zwar angeordnet zwischen der Eintrittsoberfläche 12 und der Austrittsoberfläche 14 und zwischen den reflektierenden Seitenwänden 84 und 86. Fig. 3 zeigt zwei Medien 88 und 90, wobei aber auch eine unbegrenzte Zahl vorgesehen sein könnte. Auf das brechende Medium 88 einfallende Energie wird zuerst an der Grenz fläche zwischen Medium 88 und Aussenumgebung 92 gebrochen und sodann an den Grenzflächen 94 und 96 zwischen Medium 88 und Medium 90. Solange die Grenzflächen 94 und 96 glatt gekrümmt sind oder die Austrittsoberfläche gekrümmt ist, werden die Strah len konvergiert oder divergiert wie mit der Linse 25 der Fig. Die Seitenwandformen 84 und 86 werden sodann entsprechend den gleichen Prinzipien hinsichtlich der schließlich auf die Oberfläche 14 auftretenden Energie bestimmt, wie dies unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Der Strahl 98 wird längs Pfad 99 durch Medium 88, längs Pfad 1OO durch Medium 90 und längs Pfad 101 durch Wand 84 gebrochen, um nach Brechung längs Pfad 102 durch Medium 88 auf die Oberfläche 14 mit einem Winkel C am Punkt 104 aufzutreffen. Der Strahl 105 wird längs Pfad 106 durch Medium 88, längs Pfad 107 durch Medium 90, längs Pfad 1Ο8 durch Wand 86 gebrochen, um nach Brechung längs Pfad 109 durch Medium 88 auf Oberfläche 14 unter einem Winkel C am Punkt 110 aufzutreffen.

Der Vorteil dieses speziellen Ausführungsbeispiels besteht darin, daß für das solide (feste) dielektrische Medium mit interner Totalreflexion - wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschrieben und in "Applied Optics" (siehe oben)erläutert die gesamte Fläche zwischen den Wänden 84 und 86 aus einem homogenen dielektrischen Material bestehen mußte. Solches Material kann verhältnismäßig teuer sein, verglichen mit dem Material, welches in der Mitte fUr Medium 88 eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung ist ebenfalls kleiner, weil die Wände kürzer sind. Somit könnte das Medium 88 beispielsweise Wasser sein, welches, verglichen mit Kunststoff, verhältnis billig ist und nur das Medium 90 braucht aus einem teuren Kunststoffmaterial wie beispielsweise Acrylkunststoff zu bestehen.

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Vt

In Fig. 1 und mit einem homogenen Medium 60, Fig. 2 mit Oberfläche 14 planar und sich längs Achse 2O erstreckend und Winkel C = 90° reduziert sich die Form jeder Seitenwand auf eine Hyperbel mit Brennpunkten am Punktbild der Extremstrahlen, erzeugt durch Linse 25 oder Medium 60, und am entgegengesetzten Kantenpunkt der Oberfläche 14. Somit sind in Fig. 1 die Brennpunkte für die Hyperbelwand 30 der Bildpunkt 18 und Punkt 24, wohingegen für Wand 32 die Brennpunkte das Bild des Punktes 16 und Punkt 22 sind. Dabei ist angenommen, daß die Linse 25 für von der Achse weg gelegene Strahlen perfekt ist, was unrealistisch ist. Zudem kann bei einer Planaroberflache 14 die Idealwand form 138 um die Achse"41 rotiert werden, um eine konusförmige Anordnung,wie in Fig. 4 dargestellt, zu bilden.

Wie bereits erwähnt, erlaubt uns die allgemeine Konstruktionsvorschrift für alle hier angegebenen Ausführungsbeispiele anzugeben, daß die Reflexion an der Seitenwand durch interne Totalreflexion erfolgt. Um dies zu erreichen, verwendet man die Lehre der erwähnten Literaturstelle "Applied Optics", wobei sich ergibt, daß die Profilkurve des dielektrischen Mediums dadurch erzeugt wird, daß man die Profilkurve der Aussenwand die maximal mögliche Neigung annehmen läßt, und zwar konsistent mit vollständiger interner Reflexion der Extremstrahlen auf die Austrittsoberfläche. Ein Beispiel für die Verwirklichung dieser Konstruktionsvorschrift ist in Fig. 7 gezeigt, wo das dielektrische Medium 140 eine gekrümmte Eintrittsoberfläqhe 142 aufweist, die als eine Linse wirkt. Aus Gründen der Einfachheit betrachten wir die Konzentration der von einer unendlich weit entfernten Quelle (maximaler Winkel D) auftretenden Energie auf eine flache Auftrittsfläche 144. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit der Linse indealisiert insoferne, als sie die Extremstrahlen (Winkel D) auf F abbildet. Die Seitenwände 146 und sind die Grenzfläche zwischen dem internen Medium 14O des Brechungsindex n. und dem externen Medium 15O mit dem geringeren Brechungsindex n₂ und sind in der Lage, die internen Strahlen total zu reflektieren, vorausgesetzt, daß deren Einfallswinkel auf der Wand 146 oder 148 den kritischen Winkel übersteigt:

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θ = arc Sin (η,/η,)

Wenn die Wand ein spiegelnder Reflektor für sämtliche Winkel und den gewünschten Winkel C = 9O° wäre, so wäre die gesamte Kurve jeder Wand eine Hyperbel. Wir stellen jedoch fest, daß der Teil der Hyperbel zwischen Punkten 152 und 153 an der Kante der Austrittsoberfläche 144 und Punkten 154 und 155 an der Kante der Austrittsoberfläche 144 Einfallswinköl auf der Seitenwand haben würde, die kleiner sind als θ , was das "Herauslecken" von Energie gestatten würde. Das heißt, es ist unmöglich, eine Seitenwandfonn zwischen Punkten 152 und 154 und Austrittsoberfläche 144 zu haben, welche durch interne Totalreflexion sämtliche einfallenden Extremstrahlen zum Einfall auf die Austrittsoberfläche 144 mit dem gewünschten Austrittswinkel C leitet. Punkte 152 und 154 sind öbergangspunkte (Transitionpunkte) längs der Form, wo der Einfallswinkel der Extremstrahlen gleich θ ist. Daher besteht das Beste, was man in Übereinstimmung mit der Maximalneigungsvorschrift tun kann, darin, die Einfallswinkel der Extremstrahlen aufrechtzuerhalten, die auf die Seitenwände bei θ in dem Teil zwischen Punkten 152 und 153 und Punkc

ten 154 und 155 auftreffen. Daher ist dieser Teil der Profil-

kurve nicht mehr eine Hyperbel, sondern eine gleichwinklige Spirale.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel der praktischen Anwendung der hier beschriebenen Grundsätze. Der hier gezeigte Collector wird als ein Primärcollector verwendet. Der Collector wird benutzt, um Energie von der Sonne 111 zu sammeln und zu konzentrieren. Der Collector 112 besitzt einen Querschnitt, der längs einer Achse sich erstreckt, die senkrecht zum Querschnitt der Fig. 1, 2, 3 und 7 verläuft, um so einen trogförmigen Zylindercollector zu bilden. Flache reflektierende Endwände 114 und 116 umschließen den Collector 112 vollständig. Die konzentrierenden Wände 118 und 120, deren Formen derart erzeugt wurden, wie dies unter Bezugnahme auf die Fig. 1,2, 3 und 7 beschrieben wurde, und Seitenwände 114, 116 besitzen eine Reflexionsfähigkeit, beispielsweise dadurch, daß sie aus Aluminium oder Silber bestehen oder aber sie zeigen totale interne Reflexion. Die reflektierte Energie wird durch diese reflektierenden Wände auf die Austrittsober-

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fläche geleitet, wo bei diesem Ausführungsbeispiel ein planarer Energieempfänger 122/ wie beispielsweise eine Fotozelle, angeordnet ist. Verbindungen sind mit dem Empfänger I22 vorgesehen, um die Ausnützung der absorbierten Energie durch die Verwendungsmittel 124 zu gestatten.

Ein weiteres Beispiel eines praktischen Ausführungsbeispiels ist in Fig. 6 gezeigt. Hier wird der Collector als ein Sekundärcollector verwendet. Die von der Sonne 130 kommende Energie wird anfangs durch einen Primärcollector 132 gesammelt, der durch eine Anordnung von Spiegeln gebildet sein kann. Die auf den Collector 132 auftreffende einfallende Energie wird zum Sekundärcollector 134 hingelenkt, der einen Querschnitt Desitzt, der bezüglich der Kantenpunkte der Primärqueile 132 entwickelt ist und der längs Achse 135 erzeugt ist, die senkrecht zun Querschnitt verläuft, um so einen trogförmigen zylindrischen Collector zu bilden. Die Endwände 136 und 137 umschließen den Collector vollständig.

Obwohl die Erfindung im einzelnen als ein Collector und eine Konzentriervorrichtung für Energie in einem Energieempfänger beschrieben wurde, so ist doch die Erfindung nicht auf diese Ausbildungsform beschränkt. Es kann irgendein elektromagnetischer Energiewandler, Empfänger oder Ubermittler verwendet werden. Wenn es somit erwünscht ist, Energie über einen speziellen Winkel hinweg zu übertragen, so könnte ein Energiestrahler für den Energieempfänger eingesetzt werden.

Die Konstruktionen wurden zweidimensional (in der Querebene) des Collectors beschrieben. Für trogförmige Collectoren ist dies für sämtliche reflektierenden Gebilde angemessen. Es ist jedoch bekannt, daß zylindrische Linsen Aberrationen für Strahlen außerhalb der Quer(Meridian)-Ebene aufweisen. Der Effekt besteht in einer Kürzung der Brennweite, wenn die Strahlen außerhalb der Ebene befindliche Komponenten aufweisen. Es wurde sowohl durch Berechnungen als auch durch Versuche festgestellt, daß dieser Effekt die Leistungsfähigkeit außerhalb der Ebene

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für trogförmige Linsenspiegelkonzentrier-Vorrichtungen > _Lcht
ernstlich beeinträchtigt und daß kein merklicher Effekt bei
konusförmigen Linsenspiegelkonzentrier-Vorrichtungen auftritt.

Wie bei den anderen bekannten Konstruktionsvorsehriften ergibt sich hinsichtlich des Grenzfalls für konvexe Austrittsoberflächen, nämlich die flache Austrittsoberfläche, die Lösung als
die mathematische Grenze der konvexen Lösung. Für flache Austrittsoberflächen ist die Lösung bestimmt durch die Maximierung der Wandneigung konsistent mit der Reflexion oder internen Totalreflexion der Extremstrahlen auf die Austrittsoberfläche
mit einem Einfallswinkel, der nicht den vorbestimmten Winkel C überschreitet, wie er in der genannten deutschen Pat· itanmeldung P 27 09 284 beschrieben wurde.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Leitung von Strahlungsenergie zwischen einer Eintrittsoberfläche (12) und einer Austrittsoberfläche (14), wobei die Austrittsoberfläche (14) eine geringere Fläche besitzt als die Eintrittsoberfläche (12), wobei die Eintrittsoberfläche (12) auf einer ersten Seite einer ersten Bezugsachse (2O) liegt, während die Austrittsoberfläche (14) einen Querschnitt besitzt, der begrenzt ist durch und der konvex ist bezüglich der ersten Bezugsachse (2O) auf der ersten Seite der ersten Bezugsachse (2O), während die Austrittsoberfläche (14) ferner eine zweite Bezugsachse (41) aufweist, die sich hxndurcherstreckt senkrecht zur ersten Bezugsachse (2O),und wobei sich der Perimeter des Querschnitts der Austrittsoberfläche (14) von einem ersten Kantenpunkt (22) aus längs der ersten Bezugsachse (2O) zu einem zweiten Kantenpunkt (24) längs der ersten Bezugsachse (2O) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß ein brechendes Element (25) und eine erste reflektierende Grenze (3O) auf der ersten Seite der ersten Bezugsachse (2O) angeordnet sind, und zwar zwischen der Austrittsoberfläche (14) und der Einlaßoberfläche (12) derart, daß die Extremstrahlen von einer Energiequelle (1O) einfallend auf die Einlaßoberfläche (12) unter einem Winkel bezüglich der zweiten Bezugsachse (41) gleich oder kleiner als ein spezieller Wert ungleichmäßig durch das brechende Element (25) gebrochen werden, wobei die erste reflektierende Grenze (30) eine solche Form besitzt, daß die Neigung an irgendeinem Punkt längs der Form die Maximalneigung ist, und zwar konsistent mit der Erreichung der Reflexion irgendeines Extremstrahls der auf die Eintrittsoberfläche (12) auftreffenden Energie und sodann Brechung und Einfallen auf den Punkt der Grenze (30) längs einer Linie (53), welche den Perimeter des Querschnitts der Austrittsoberfläche (14) unter einem Winkel schneidet, der einen speziellen Wert (C) nicht übersteigt,wobei (C) kleiner oder gleich 9O° ist, und wobei die reflektierende Grenze (30) sich von dem ersten Kantenpunkt (22) der Austrittsoberfläche (14) aus erstreckt, und zwar nicht weiter als bis zu einem Schnitt mit einer Eintrittsoberfläche (12).

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das brechende Medium ein Punktbild der Ext r ems tr ah le ·ι entwickelt, wobei die Austrittsoberfläche flach ist und sich längs der ersten Bezugsachse erstreckt und wobei (C) gleich 90 ist und die reflektierende Grenze ein Spiegelreflektor ist, wobei die Form der ersten Grenze in der Form eines Teils einer Hyperbel vorliegt, mit Brennpunkten am Punktbild der Extremstrahlen und des zweiten Kantenpunktes der Austrittsoberfläche.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der ersten Grenze um die zweite Bezugsachse verdreht wird, um eine konusförmiae Eneraielenkvorrichtuna zu bil-

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer zweiten reflektierenden Grenze angeordnet auf der ersten Seite der ersten Bezugsachse im wesentlichen entgegengesetzt zur ersten reflektierenden Grenze und zwischen den Austritts- und Eintrittsoberflächen, wobei die zweite reflektierende Grenze eine derartige Form besitzt, daß die Neigung irgendeines Punktes längs der Form die Maximalneigung ist, und zwar konsistent mit der Erreichung maximaler Reflexion irgendeines Extremstrahls der Energie einfallend auf die Eintrittsoberfläche, und sodann gefolgt von Brechung und auf eUtvfH^taer 6rwe,,

Austrittsoberfläche mit dem speziellen Winkel (C) schneidet, wobei die zweite reflektierende Grenze sich von dem zweiten Kantenpunkt der Austrittsoberfläche aus erstreckt, und zwar nicht weiter als bis zu einem Schnitt mit der Eintrittsoberfläche.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede reflektierende Grenze zu der Eintrittsoberfläche erstreckt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das brechende Element eine Linse ist, deren eine Stirnfläche mit der Eintrittsoberfläche zusammenfällt, während die andere Seite zwischen Eintritts- und Auslaß-Oberflächen liegt.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das brechende Element ein dielektrisches Medium ist, welches zwischen Eintritts- und Austrittsoberflächen und den reflektierenden Grenzen angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein homogenes Medium ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,daß das Medium ein nicht homogenes Medium ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsoberfläche linear ist und daß das nicht homogene Medium einen Gradienten des Brechungsindex aufweist, wobei die höheren Werte längs der zweiten Bezugsachse von der zweiten Bezugsachse weg abfallen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium eine Zusammensetzung aus einer Vielzahl von Medien ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Medien homogen ist und daß das Medium symmetrisch auf jeder Seite der zweiten Bezugsachse angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Grenzen gebildet werden an der Grenzfläche zwischen dem Medium mit unterschiedlichen Brechungsindizes und daß die Reflexion der Strahlen durch die Grenzen durch interne Totalreflexion erfolgt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein homogenes Medium angeordnet ist zwischen den reflektierenden Grenzen und den Austritts- und Einlaßoberflächen, die ein Punktbild der Extremstrahlen entwickeln, wobei der Brechungsindex des Mediums größer ist als der des Aussenmediums an den Grenzen, und wobei die Austritteoberfläche flach ist und sich längs einer ersten Bezugsachse erstreckt, und wobei sämtliche Extremstrahlen

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einen Winkel bilden mit der zweiten Bezugsachse gleich D, und wobei die reflektierenden Grenzen dadurch jeweils zwei Teile besitzen, wobei ein erster Teil jeder Grenze in der Form einer Hyperbel ausgebildet ist, und zwar mit Brennpunkten am Punktbild und am entgegengesetzten jedes Punktes der Austrittsfläche von der Grenze erstreckend von der Eintrittsoberfläche zur erwähnten Eintrittsoberfläche zu einem Übergangspunkt, wobei der Ubergangspunkt der Punkt ist, wo der Extremstrahl darauf mit einem Winkel gleich dem kritischen Winkel für die interne Totalreflexion auftrifft für die Grenzfläche zwischen dem homogenen . Medium und dem externen Medium, und wobei der zweite Teil jeder Grenze sich von dem Ubergangspunkt aus zum Kantenpunkt der Austrittsoberfläche auf der gleichen Seite der zweiten Bezugsachse wie die Grenze erstreckt und in der Form einer gleichwinkligen Spirale ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen parallel zu einer dritten Bezugsachse hin erstreckend ausgebildet sind, welche senkrecht zur ersten und zweiten Bezugsachse verläuft, um eine trogförmige Vorrichtung zu bilden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Energieumwandler derart angeordnet, daß ein Teil desselben mit der Austrittsfläche zusammenfällt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Energieempfänger ist, um darauf einfallende Energie zu absorbieren.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Extremstrahlen von der Sonne kommen und daß die Vorrichtung als eine primäre Solarenergiekonzentrations- und Sammel-Vorrichtung verwendet wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,daß die Extremstrahlen von einer endlichen Quelle in der Form einer Primärsolarenergiesammelvorrichtung kommen und daß die Vorrichtung verwendet wird als ein Sekundärcollector-

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