DE4425891A1

DE4425891A1 - Sonnenspiegel

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Publication number: DE4425891A1
Application number: DE4425891A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-07-11
Filing date: 1994-07-11
Publication date: 1996-01-18
Also published as: DE4442419A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiegel, der für die Nutzung der Sonnenenergie geeignet ist. Der Spiegel besteht aus austauschbaren, reflektierenden Folienstücken, die zusammen mit einem Netz, auf dem sie ruhen, über ein gegen die Stoßbelastungen nachgiebiges Gerüst mit Hilfe des Unterdrucks gespannt sind. Durch diese Spannung bildet jedes Folienstück eine parabolische Zylinderfläche, welche die Sonnenstrahlung auf eine Kreisfläche mit einem Durchmesser, der mit der maximalen Folienstückbreite vergleichbar ist, gebündelt zurückwirft. Die Strahlungsenergie der Sonne wird von zwei Systemen ausgenutzt:

- Ein Teil wird von Mikroalgen oder/und Photobakterien in chemische Energie der Photosynthese umgewandelt. Dabei fließen die Mikroalgen in einer Nährlösung durch eine spiralförmige Rohrleitung Fig. 3 und Fig. 7 Pos. 10, deren Rohr aus einem für das Sonnenspektrum durchlässigen Material, z. B. Quarz besteht.
- Der Rest des Sonnenstrahlungsspektrums wird von den Solarzellen, die hiner der spiralförmigen Rohrleitung auf der oben genannten Kreisfläche liegen Fig. 3 und Fig. 7 Pos. 9, aufgenommen so, daß die Sonnenenergie sich teilweise in die elektrische Energie umwandelt.

Ein Sonnenspiegel

Die vorhandene Erfindung bezieht sich auf einen Spiegel mit einer gekrümmten Oberfläche und bietet ein Verfahren zu seiner Herstellung mit einer Berechnungsmethode.

Die aus der Vergangenheit bekannten krummen schüsselartigen Spiegel sind entweder aus beschichteten Materialien wie Metall, Glas, fester Kunststoff oder aus einem polierten Metall hergestellt worden. Die Ausführung von genauer Krümmung bei solchen Materialien erfordert eine Fülle von komplizierten und kostspieligen Operationen. Aber nicht nur die Herstellung selbst sondern auch das Gewicht von solchen rigiden Konstruktionen sind ökonomische Hindernisse. Der Sinn der Sonnenenergienutzung geht verloren, wenn die energetische Herstellungsausgaben den energetischen Gewinn übertreffen. Dabei versteht man unter energetischen Herstellungsausgaben die sämtliche Energiemenge von der Rohmaterialgewinnung bis zum Endstadium als fertiges Erzeugnis. Unter dem energetischen Gewinn versteht man die gewonnene Energiemenge von der Installation bis zum Verschleiß der Anlage. Das gilt auch wenn keine strahlungsverdichtende Vorrichtungen wie der Sonnenspiegel vorhanden, und z. B. Solarzellen direkt der Sonne ausgesetzt sind.

Die dargebotene Erfindung ist bestrebt, einen Spiegel bereitzustellen, welcher die erwähnten Nachteile dadurch überwindet, daß er keine rigide Konstruktion ist. Wegen seiner Nachgiebigkeit gegenüber den stoßartigen Belastungen ergibt sich eine Möglichkeit, ihn als ein extrem leichtes und deshalb materialsparendes Gebilde auszuführen. Der ökonomische Effekt wird noch dadurch gesteigert, daß man die Sonnenenergie in die biochemische Energie umwandelt. Die Produktion von Mikroalgen, in Vitro, bietet eine ideale Bedingung für die Genmanipulation und damit eine Erzeugung von kostbaren Eiweißen der Humanmedizin, wie zum Beispiel Insulin oder Interferon.

Die Strahlung der Sonne in der dargebotenen Erfindung wird nicht auf einen Punkt konzentriert, sondern auf einer Kreisfläche verdichtet, was eine zusätzliche Vereinfachung der Anlage mit sich bringt. Zur Bündelung der Sonnenstrahlung werden einzelne, sich nach der Blütenblätterart der Tulpe Pos. 1, Fig. 4, überlappende und verspiegelte Folienstücke verwendet, die zusammen mit einem Netz auf dem sie ruhen, durch Unterdruck in Form einer parabolischen Zylinderfläche so gekrümmt werden, daß insgesamt eine konkave Oberfläche entsteht. Zwischen den sich überlappenden Folienstücken befindet sich eine viskose, für Luft undurchlässige Schicht. Das Netz mit den darauf ruhenden Folienstücken ist über ein gegen die Stoßbelastungen nachgiebiges Gerüst gezogen, so daß im Zwischenraum ein geringer Unterdruck herrscht. Das Gerüst besteht aus einem aufgeblasenen, torusverwandten Rotationskörper und einzelnen Träger Pos. 5, Fig. 1, 2, die sich darauf stützen.

Aus dem Vergleich mit der Erfindung GB 2 000 319 A, in der auch eine spiegelnde oder verspiegelte und durch Unterdruck elastisch verformte Folie Anwendung findet, sind hier folgende vorteilhafte Merkmale zu erkennen:

Erstens: Im Unterschied zu GB 2 000 319 A besteht die hier verwendete Folie aus mehreren sich gegenseitig überlappenden und auf einem Netz sich stützenden Stücken, die nicht in zwei sondern in einer Art eindimensionaler Krümmung elastisch verformt sind. Daraus ergibt sich eine konstruktive Vereinfachung; man braucht eine geringere Druckdifferenz zur elastischen Verformung des reflektierenden Teils.

Zweitens: Es besteht die Möglichkeit zur Anwendung von Materialien mit wesentlich niedriger Elastizität, wie z. B. mit Metall beschichtetes Papier oder Keramik. Solche Materialien sind aber im Wesentlichen widerstandsfähiger gegenüber der Ultraviolettstrahlung als Polymerstoffe wie Gummi oder Plaste.

Drittens: Die Austauschbarkeit der reflektierenden Folienstücke verlängert die Verfügbarkeit des Spiegels.

Die Erfindung GB 2 000 319 A ist auch eine Konstruktion, wo über starre zylinderartige Gebilde eine reflektierende Folie unter Druckdifferenz gespannt wird und wo aber die Nachgiebigkeit den stoßartigen Belastungen gegenüber fehlt. Die dargebotene Erfindung bietet ein Untergestell der die Stoßbelastungen abfedern kann in dem sein Hauptbestandteil ein aufgeblasener torusverwandter Körper ist. Meridionale Kurve dieses Körpers hat eine Form, die sich durch die folgende Differentialgleichung beschreiben läßt:

wobei "kr" und "l" die Konstanten sind.

Diese spezielle Form genügt dem Verlangen, wonach das den aufgeblasenen Körper umspannende Netz fast ausschließlich in der Richtung seiner Meridionalkurve gespannt worden ist. Die Breitengradspannungen werden auf die polygonförmig gespannte Seile Pos. 21, 22, 23; Fig. 1 und 2; vom umspannenden Netz übertragen. Diese Seile werden entspannt, wenn im Raum Pos. 13. Fig. 3 ein Unterdruck erzeugt und die Spannung auf das die reflektierende Folienstücke tragende Netz übertragen wird.

Die Differentialgleichung wird aus folgenden Überlegungen zusammengestellt:
Die Definition der Krümmung "K" einer meridionalen Kurve eines idealen, in der Praxis aber wegen Instabilität nicht ausführbaren, aufgeblasenen Rotationskörpers, dessen Wand ausschließlich in einer meridionalen Richtung gespannt ist, ist nach dem Bild N1.

Wobei "Δt" oder dem Bild Nr. 1 entsprechend "Δtau" die Richtungswinkelsänderung in Bogenmaß ist und "ΔS ein Bogenstück der Kurve oder eine elementare Streckenlänge ist. Andererseits, wie aus dem Bild Nr. 1 zu entnehmen, ist

denn die gleiche Kraft des Überdrucks wirkt sich auf die gleichgroße Elementarfläche der Schlauchwand "ΔF" aus

Nach der Definition ist auch
Wenn man kr=K setzt bei x=1

Nach dem Integrieren der Gleichung (7) bekommen wir:

woraus sich

ergibt
bei y′=0 wird kr*x²+2*l*C=0 und

siehe Bild N1
Dann wird:

Wenn y′=∞; dann wird 4*l²-kr²*(x²-m²)=0; und (2*l-kr*(x²-m²))*(2*l+kr*(x²-m²))=0; und 2*l-kr*x²+kr*m²=0 oder 2*l+kr*x²-kr*m²=0; (8) und (9). In diesem Falle, dem Bild Nr. 1 entsprechend, muß "x²min" einmal gleich l sein.

Aus der (9) bekommen wir:

und aus der (8)

Nach Eliminieren von "m" bekommen wir:

Nach einer Substitution x/l durch ch(t), wo ch(t) ein Hyperbelkosinus von t ist, wobei x=l*ch(t) dx=l*sh(t)dt, und

erhalten wir

Diese Funktion kann nicht elementar integriert werden. Deshalb werden beide Integranden der Funktion mit Hilfe der Reihenentwicklung integriert. Beide Reihen und ihre Integrale sind konvergent im Definitionsbereich:

xmin<x<xmax.

Es gibt auch andere, einfachere Methoden der Berechnung und zwar, wenn man die Meridionalkurve durch eine gebrochene Linie, mit einer konstanten Richtungswinkeländerung "Δt" und mit einer variablen Streckenlänge "ΔS" approximiert. Die Koordinaten Xn+1, Yn+1 jeden nächsten Bruchpunktes der Linie werden aus den folgenden Relationen errechnet:

Xn+1=Xn-R*Xmin*Δt*sin(An)/Xn;
Yn+1=Yn+R*Xmin*Δt*cos(An)/Xn;
sin(An+1)=sin(An)*cos(Δt)+cos(An)*sin(Δt);
cos(An+1)=cos(An)*cos(Δt)-sin(Δt)*sin(An); (9)

Δt=pi/N; wo N eine beliebig große ganze Zahl ist.
sin(Δt)=Δt-Δt³/6; cos(Δt)=1-Δt²/2;

"R" ist ein Krümmungsradius, wenn Xn=Xmin ist.
"An" ist ein Neigungswinkel der elementaren Strecke "ΔSn".
An der Stelle, wo Xo=Xmin ist, Ao=pi/2; und "ΔSo"=R*Δt;

Xmin oder "l" und "R" sind die Parameter der im Bild N1 dargestellten Funktion.

Es liegt ein Computerprogramm vor, wo die Rekursivformel (9) für die Konstruktionsberechnung ausgenutzt wird.

Durch Iteration werden die Parameter der einzelnen Abschnitte der Meridionalkurve Fig. 1a-b, b-c, c-d, d-e, e-f und f-a ermittelt. Daraus läßt sich die Zugkraft, die auf einzelne, meridionalgerichtete Elemente des den aufgeblasenen Körper umspannenden Netzes wirkt, berechnen.

Zum Beispiel die Zugkraft "P", die auf dem Abschnitt "f-a" wirkt, ist Fig. 1:

P(f-a)=ÜD*2*pi*l(f-a)*R(f-a); (10)

wo "ÜD" ein Überdruck im Inneren des aufgeblasenen Körpers ist. Auf dem Abschnitt f-a, Fig. 1 und Fig. 2 sind 96 meridionalgerichtete Netzelemente, die dieser Kraft ausgesetzt sind. Daraus wird die Stärke dieser Netzelemente errechnet. Darüber hinaus lassen sich die Spannungen in allen anderen Netzelementen als auch in den polygonförmig gespannten Seilen in den Trägern und in den Netzelementen, die den reflektierenden Teil tragen, zu berechnen.

Ausführungsbeispiel

Die dazu gehörenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen, aufgeblasenen, torusverwandten Körpers mit dem ihn umspannenden Netz und den darauf stützenden 24 Trägern;

Fig. 2 dieselbe Darstellung; Sicht von oben;

Fig. 3 allgemeine seitliche Sicht;

Fig. 4 Sicht von oben und von unten.

Fig. 5 Knotenteil des Netzes.

Fig. 6 Folienstück des aufblasbaren Schlauches.

Fig. 7 der verdichteten Sonnenstrahlung ausgesetzte Kreis mit den Solarzellen und einer spiralförmigen Rohrleitung.

Der in Fig. 1 bis 7 dargestellte Sonnenspiegel besteht aus einem Schlauch, der aus den sich überlappenden Folienstücken Fig. 6 zusammengesetzt ist und mit einem Netz umschlungen durch Überdruck die Gestalt eines torusverwandten Hohlkörpers annimmt. Die Kräfte von dem umspannenden Netz werden auf die polygonförmig gespannten Seile 21, 22, 23 (Fig. 1 und 2) übertragen. Im Unterschied zu den Seilen 22 und 23 werden die Kräfte auf den als windschiefen Polygon gespannten Seile 21 vom Netz über die 24 Träger 5 übertragen. Bei dem Unterdruck im Raum 13 (Fig. 3) werden die Seile 21, 22 und 23 entspannt, und die Spannungen werden von dem das reflektierende Teil tragenden Netz 3 (Fig. 1 und 2) übernommen. Mit Hilfe teleskopischer, durch Überdruck 14 auseinander geschobenen Säule 15 (Fig. 3) wird die Kreisscheibe (Fig. 7, Fig. 3), die die Solarzelle 9 und die Spiralrohrleitung 10 (Fig. 7) festhält, getragen. Die Achse der Säule 15 wird mit Hilfe der Seile 11, Fig. 3 so gerichtet, daß sie mit der Spiegelachse zusammenfällt. Die Luft aus dem Unterdruckraum 13 (Fig. 3) wird mit Hilfe des Ejektors 12 (Fig. 3 und 4) abgepumpt.

Nach der Berechnung des vorliegenden Beispiels beträgt die Relation des Unterdrucks 13 zum Überdruck 14 etwa 0.0378. Das untere Netzteil ist mit einem Saugnapf 20 (Fig. 1 und 2) versehen, der sich an einem oberen Deckel festsaugt, wenn die Unterdruckgrenze erreicht ist. Der Ejektor wird in dem Falle von einem bistabilen Membranmotor abgeschaltet und solange, bis der Unterdruck wieder nachläßt.

Zur Veränderung des Neigungswinkels zwischen der Erdoberfläche und der Spiegelachse dient die Ziehharmonika 16, die ihrerseits über die Magdeburgischen Scheren 18 mit dem aufgeblasenen Körper verbunden ist (Fig. 3).

Der Spiegel kann sich drehen um eine senkrecht zur Erdoberfläche stehende Achse, die durch eine Verankerung 17 (Fig. 3) läuft. Der Spiegel ist mittels Fahrgestell und den mit Schrittmotoren 7 ausgerüsteten Rädern drehbar.

Claims

1. Ein Spiegel für nicht scharfe Strahlenbündelung, dadurch gekennzeichnet, daß sein reflektierendes Teil aus einzelnen, sich überlappenden und austauschbaren, elastisch biegsamen, spiegelnden oder verspiegelten Folienstücken besteht, die zusammen mit einem Netz auf dem sie ruhen, durch Unterdruck gespannt und in Form einer parabolischen Zylinderfläche gekrümmt werden, so daß eine konkave Oberfläche entsteht.

2. Ein Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von ihm gebündelte Sonnenstrahlung auf eine Kreisfläche der Zylinderscheibe Pos. 9, Fig. 3, fällt.

3. Ein Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den sich überlappenden Folienstücken eine viskose, für Luft undurchlässige, Schicht befindet.

4. Ein Spiegel nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz mit darauf ruhenden Folienstücken über ein gegen die Stoßbelastungen nachgiebiges Gerüst, wobei im Zwischenraum ein Unterdruck herrscht, gezogen ist.

5. Ein Spiegel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbestandteil des Gerüstes ein aufgeblasener, torusverwandter Rotationshohlkörper mit einer Meriadionalkurve ist, die sich durch folgende Gleichung: wo Y und X kartesische Koordinaten, kr und l aber Konstanten sind, beschreiben läßt.

6. Ein Spiegel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des aufgeblasenen Körpers aus einzelnen, sich überlappenden, elastischen und austauschbaren Folienstücken (Fig. 6, Pos. 4) mit viskoser Schicht dazwischen, besteht und mit einem Netz (Pos. 2, Fig. 1) umspannt ist.

7. Ein Spiegel nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die spiegelnden oder verspiegelten Folienstücke tragende Netz aus zwei Teilen besteht, wobei der innere Teil direkt mit dem aufgeblasenen Körper, der äußere Teil aber über die Träger (Pos. 5, Fig. 1, 2) mit ihm verbunden ist.

8. Ein Spiegel nach Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz, in Gestalt einer zweidimensionalen Kette, aus festen (Pos. 6) und biegsamen (Pos. 2) Gliedern (Fig. 5), geschaffen ist.

9. Ein Spiegel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die biegsamen Kettenglieder aus einem zugfesten Faden gewickelte und verdrehte Ringe sind.

10. Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie, die ein in den Ansprüchen 1 bis 9 beschriebenen Spiegel einschließt, und dadurch gekennzeichnet ist, daß sich auf der nach Anspruch 2, Kreisfläche (Pos. 9, Fig. 3) eine für das Sonnenspektrum durchlässige, spiralförmige Rohrleitung (Fig. 7, Pos. 10) befindet, wobei durch diese Rohrleitung eine mit Kohlensäure gesättigte Salznahrungslösung mit Mikroalgen (insbesondere Spirulina) geleitet wird.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest des von den Mikroalgen nicht verwertbaren Sonnenspektrums von den Solarzellen (Fig. 7, Pos. 9) aufgenommen wird.