Konzentrierender Reflektor für Sonnenstrahlung mit geringem aerodynamischen Widerstand und hohem aerodynamischen Auftrieb

Sonnenstrahlung läBt sich im Prinzip dadurch nutzem, daß sie mit möglichst hohem exergetischen Wirkungsgrad

• - entweder momentan umgesetzt wird, und zwar in elektrische Energie über Photozellem, in Antriebsenergie und Klimatisierumgsarbeit über thermodynamische Maschinen,
• - oder aber kurz- und langfristig gespeichert wird, was thermischin Form von Warme mit eimer Temperatur hoher als die der Umgebung über entropievariable Massen und chemisch durch Photosynthese hochemergetischer Verbindungen in Photoreaktoren möglich ist.

Der Einsatz dieser Möglichkeiten in der Energietechnik wird nun entscheidend davon abhängen, ob erstens die strahlungsabsorbierenden technischen Systeme konzentrierte Strahlung aufnehmen können, ob zweitens geeignete Reflektoren- mit hohem Konzentrationsvermögen zur Verfügung gestellt und ob drittens beide den Einflüssen des Klimas weitgehend entzogen werden können.

Die Konzentrierung der Strahlung durch konzentrierende Reflektoren mit einem Konzentrationsvermögen C (wobei 1 < C < looo in der Anwendung erreicht werdem) bedeutet, daß das strahlungsabsorbierende System im Prinzip nur die Abmessungen des Fokus aufzuweisen braucht. Mit steigendem Konzentrationsvermögen C wird also bei abnehmendem Materialaufwand für das System eine zunehmende Leistungsdichte erzielt. Im Vergleich zu Absorbersystemen für unkonzentrierte Strahlung mit ihren notwendigerweise großen Oberflächen ist des weiteren die Abkühlung durch Rückstrahlung und Konvektion stark reduziert, das erreichbare Temperaturniveau der Absorption gesteigert.

Die Konzentrierung der Strahlung durch konzentrierende Reflektoren bedeutet aber auch, daß Reflektor und strahl ungsabsorbie emdes System zu einer Einheit integriert, am Boden verankert, der Sonne nachgeführt werden müssen. Eine solche Einheit mit ihren großen, auf die Sonne ausgerocjteteten, empfindlichen Flächen weist üblicher weise einen hohen aerodynamischen Widerstand auf. Jede stärkere Luftbewegung übt daher erhebliche Kräfte auf die Einheit selbst (in überwiegendem Maße auf den Reflektor), auf die Nachführeimrichtung und auf die Verankerung aus. Staub, größere Partikel und Regem zerstören die reflektierende Oberfläche. In mördlichen Breiten kommt hinzu, daß die stärkere Bewölkung die Bemutzungdauer der Einheit und damit ihre Wirtschaftlichkeit drastisch senkt.

Die Ausbildung geeigneter konzentrierender Reflektoren, in die das strahlungsabsorbierends technische System zur Umsetzung oder Speicherung der Strahlung integriert werden kann, wird daher letztlich (neben der Entwicklung fortgeschrittener Systeme) über die großtechnische Nutzung der Sonnenenergie entscheiden. Es sind bisher verschiedene Vorschläge gemacht worden, um konzentrierende Reflektoren kostengünstig und mit langer Lebensdauer zu entwickelm; auch die Möglichkeit wurde diskutiert, die Reflektoren bzw. die Einheiten, mit aerostatischem Auftrieb durch eine Gasfüllung geringerer Dichte (verglichen zu Luft) versehen, dem Klima am Boden zu entziehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reflektor zu schaffen, der bei geringem aerodynamischem Widerstand eine hohe aerodynamische Stabilität und einen hohen aerodynamischem Auftrieb aufweist. Die Erfindung geht dabei von einer im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Anordnung aus und sieht einen paraboloiden Reflektor großen Konzentrationsvermögens für Sonnenstrahlung vor, der einen hohen aerodymamischem Auftrieb, hohe aerodynamische Stabilität und geringen aerodynamischem Widerstand aufweist und, entweder ax Boden verankert oder auf dem Wasser schwimmend oder aber vorteilhaft als Flugkörper in großer Hohe kreuzend, Sonnenstrahlung auf ein mitgeführtes, imtegrisrtes Absorbersystem vorwiegend für die chemische Speicherung durch Photosynthese hochenergetischer flüssiger Verbindungen über einen Photoreaktor, aber auch für die Umsetzung in Antriebsenergie über eine thermodynamische Maschine konzentriert. Insbesondere weist dieser Flugkörper die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 auf; weitere Merkmale simd in den Unteransprüchen dargelegt.

Fig. 1 bis 5 zeigen bekannte Reflektoren und Fig. 6 stellt den in dieser Anmeldung beschriebemen Flugkörper dar. Die Fig. 7 bis lo zeigen Einzelheiten, Schnitte und Projektionen des Flugkörpers: Fig. 7 ist eine isometrische Darstellung der Erfindung im der bevorzugten Form des konzentrierenden Reflektors als Flugkörper mit einem zusätzlichem Längsschmitt durch den Flugkörper; die Bezugszeichen kennzeichnen die Baugruppen. Fig. 8 ist die Draufsicht auf die eine Hälfte des konzentrierenden Reflektors als Flugkörper, während Fig. 9 einen Längsschmitt entlang der Linie 9-9 in den Fig. 8 und lo zeigt. Fig. lo schließlich ist die Vorderansicht des konzentrierenden Reflektors als Flugkörper, wie er in den Fig. 6 bis 9 dargestellt ist.

Alle Reflektoren in den Varianten nach Fig. 1 bis 6 haben die gleiche Fläche und sind um den gleichen Neigungswimkel ϕ ( ϕ = arc tg o,5 = 25,5°) geneigt. Bei einem Durchmesser von beispielsweise 5,7 m betragt die Flache 25,5 m², die Strahlungsleistung im Fokus etwa 25 kW. Für jede dieser Variantem ist der relative aerodynamische Widerstand, bezogen auf die Variante im Fig.l, berechnet. Die Widerstandkraft F_WID berechnet sich aus dem Produkt von Formfaktor (Widerstandszahl) σ, der Projektionsfläche F in Windrichtung und dem Staudruck p. Da p für alle Varianten gleich ist und nur vom Wind abhängt, wird im folgenden nur das Produkt σ·F betrachtet. Der relative Formfaktor für eine senkrechte flache Flache wurde zu σ = 1, für eine nach innen gewölbte Fläche zu σ = 1,33, für eine nach außen gewölbte Fläche zu σ = o,33 angenommen. In allen Fallen wurde angenommen, daß der Wind bodenparallel von rechts nach links strömt.

Das Symbol kennzeichnet das Strahlungsfenster im Fokus des Reflektors; das strahlungsabsorbierende System ist nicht gezeigt, seine Halterung durch Striche angedeutet. Für geschützte, d.h. beispielsweise in einem Radom befindliche Reflektoren und solche in Leichtbauweise sind Druckdifferenzen zur Stabilisierung erforderlich und in den Fig. 1- 6, 9 durch das Symbol + für erhöhten Druck (bezogen auf die Umgebumg), durch das Symbol - für verrimgerten Druck (bezogen auf die Umgebung) gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt den klassischen Parabolspiegel, der, meist aus Blechen geformt, innen mit Spiegelsegmentem ausgelegt ist (Beispiel : System MAN). Der relative Widerstand ist zu σ·F·p = 1 normiert. Daß ein freistehender Parabolspiegel wie in Fig. 1 wegen seines hohen absoluten aerodynamischen Widerstandes starken Kräften ausgesetzt ist und daher massig gestaltet werden muß, macht besonders Fig. 2 deutlich. Hier ist der parabolische Spiegel in einem transparemton Radom untergebracht, um ihn vor den Windkräftem zu schützen mit dem Ziel, den Refelektor, aber auch das Nachführsystem, wesentlich leichter zu gestalten (Beispiel : System BOEING). Obgleich das Radom eine wesentlich größere Fläche F dem Wind zeigt als der umgeschützte Spiegel nach Fig. 1, ist der relative areodynamische Widerstand infolge des besseren Formfaktors σ·F·p = 0,67.

Da bei einer solchen Anordnung wie in Fig. 2 der eigentliche Reflektor nahezu kräftefrei ist, kann auch ein anderes Konstruktionsprinzip, die Leichtbauweise, angewendet werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Das Radom bildet auch hier eine transparente, schützende Schicht; der Reflektor wird jetzt aber durch eine formgebende Folie gebildet, die beispielsweise mit Aluminium als reflektierender Schicht bedampft ist. Diese reflektierende Folie wird durch inneren Unterdruck auf die parabolische Form gebracht; dazu ist es notwendig, sie am Rand in eine stützemde Schicht in Form eines Zylinders einzuspanmen, den Zylinder durch eine schützende Haut gasdicht zu verschlie- ßem und in diesem Raum Unterdruck zu erzeugen. Der Zylinder kann auch in tragendes Gerüst aufgelöst werden (Beispiel: System KLEIN-WÄCHTER-BOMIN).

Da die Wirtschaftlickeit einer Einheit zur Nutzung der Sonnenenergie wie erwähmt nicht allein vom Materialaufwand sondern auch von den Benutzungsstunden abhängt, liegt es im Prinzip nahe, dem konzentrierenden Reflektor nebst dem strahlungsabsorbierenden System oberhalb der wesentlichen Wolkenschichten zu verankern. Dies ist nur möglich, wenn die Einheit aerostatischen Auftrieb erzeugt, ein Ziel, das, wie in Fig. 4 gezeigt, durch die Leichtbauweise über gespannte Folien erreicht werden kann.(siehe US Patente 4,oo2,158 und 4,127,453). Da die zur Formgebung erforderlichen Druckdifferenzen gering sind ist es möglich, erhebliche Auftriebskräfte zu erzeugen, indem die Gasfüllumg beispielsweise aus Wasserstoff besteht und zusätzliches Wulste angebracht werden, um das Stützgerüst so weit wie möglich zu reduzieren und um das Gasvolumen zu steigern. Die dem Wind gezeigte Flache nimmt jedoch zu, der relative Widerstand steigt auf σ·F·p = 1,96.

Eine Variante für Einheiten mit aerostatischem Auftrieb ist in Fig. 5 gezeigt. Das Prinzip der Leichtbauweise wird beibehalten. Eine spiegelnde Folie dient als Trennwand in einem Radom; die beiden Kammern weisen unterschiedliche Drucke auf,um die Folie zu krümmen. Der relative Widerstand ist auf σ·F·p = o,49 gefallen. Der Vorteil dieser Lösung liegt des weiteren in der Möglichkeit, auf die Füllung mit Wasserstoff zur Auftriebserzeugung zugunsten warmer Luft zu verzichten.

Fig. 6 zeigt den Gegenstand der Erfindung. Der wesemtliche Unterschied zu der Einheit in Fig. 5 ist, daß der Auftrieb nicht mehr aerostatisch, sondern aerodynamisch durch geeignete Profilgebung erzielt wird; gleichzeitig wird der aerodynamische Widerstand um mehr als eine Größenordnung verringert. Das aerodynamische Profil weist einen Formfaktor von σ = o,o4 auf. Die Füllung mit Wasserstoff oder warmer Luft entfällt. Die Formgebung zu einem nach oben gekrümmten (also seitenstabilen) Tragflügel mit nahezu elliptischen Vorderkanten (also eines seitenstabilen und drehstabilen Tragflügels) geschieht allein durch die Halbierung des Paraboloids (Fig. 6 unten). Um zu einem Tragflügel und damit zu einem Reflektor gleicher Fläche wie in den Fig. 1 bis 5 zu kommen, muß der Durchmesser des Paraboloidsektors vergrößert werden, und zwar etwa um den Faktor wie in Fig. 6 oben gezeigt ist. Für das hier gezeigte Beispiel vergrößert sich der Durchmesser des Reflektors von D - 5,7 m (Fig. 1 bis 5) auf D' = 8,6 m (D' entspricht der Spannweite des Flugkörpers), der Flugkörper hat etwa die halbe Länge. Sein Auftrieb beträgt rund 7oo kg, wenn eine spezifische Flächenbelastung vom etwa 3o kg/m² wie für Hochleistungssegler bzw. langsame Propellermaschimem zugrunde gelegt wird. Für dem relativen Widerstand gilt σ·F·p = o,o17.

Wie anfangs erwähmt ist die bevorzugte Ausführung des konzentrierenden Reflektors der frei fliegende Flugkörper, wobei wesentlich größere Spannweiten und damit Strahlungsleistungen in der Größemordnung vom 1 MW aus wirtschaftlichem Gründen vorauszusetzen sind. Diese Anwendung ist aber nicht die einzige, denn ein komzemtrierender Reflektor der in den Fig. 6 bis lo gezeigtem Bauweise hat auch in kleinen Abmessungem durchaus wirtschaftliche Bedeutung, wenn er beispielsweise um seine drei Achsen frei drehbar am Boden fixiert wird, oder wenn er auf dem Wasser schwimmt. Der sehr geringe aerodynamische Widerstand, die hohe Stabilität und auch der Auftrieb in Falle starker Winde am Boden stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber den Varianten Fig. 1 bis 5 dar. Eine Ausrichtung auf die Sonne ist erforderlich, wobei die Seiten-Quer- und Höhenruder die Ausrichtung über aerodynamische Kräfte erleichtern kömmem. Da das Triebwerk (außer etwa zum Ausrichten bei Windstille) nicht gebraucht wird, liegt es bei der Nutzung des nicht-freien Flugkörpers nahe, den Propeller zur zusätzlichen Erzeugung beispielsweise elektrischer Energie über einen Generator anstelle des Triebwerkes zu verwenden.

Die Fig. 7 bis lo zeigen weitere Einzelheiten des konzentrierenden Reflektors in Form eines Flugkörpers, insbesondere konstruktiver Art. Der Flugkörper besteht, wie aus der isometrischen Darstellung Fig. 7 ersichtlich, aus den Baugruppen

• (lo) Komzemtrierender Reflektor und Tragwerk (Flügel)
• (2o) Strahlungsabsorber und Seitemruderwerk
• (3₀) Höhen- und Querruderwerk
• (4o) Triebwerk

Das Tragwerk (Tragflügel) lo wird aus einer transparenten Folie 11 und der Haut 12 gebildet. Die Haut kann aus Kunststoff und / oder Leichtmetall gefertigt werden. In der bevorzugten Ausführung bedeckt die Haut 12 den profilgebenden Stützkörper 13 aus Hartschaum. Der Stutzkorper 13, verbunden mit der Haut 12, stellt die Unterseite eines Tragflügels mit der Flügelmase 14 in Art der Schalenbauweise dar. Die obere Seite des Stützkörpers 13 ist bedeckt mit der reflektierenden Folie 15, die den eigentlichen konzentrierenden Reflektor bildet. Reflektierende Folie 15 und transparente Folie 11 bilden ein Kissen 16, das durch Überdruck einer Gasfüllung, beispielsweise Luft, entsteht, um die konvexe Krümmung der Folie 11 und damit die obere Fläche des Tragflügels lo zu erzeugen. Der Flügel hat eine Hinterkante 17, welche in der Draufsicht der Fig. 8 als leicht gekrümmte Kurve erscheint. Die Linien 18 deuten ein Netzwerk an, das die transparente Folie 11 umterstützt und einen Teil der Kräfte auf den Stützkörper 13 überträgt, damit die Folie 11 so dünn wie möglich ausgebildet werden kann. Die gestrichelten Linien in Fig. lo sind die Projektion des Netzwerkes auf die Spiegelfolie 15 in Längsrichtung und dienen zum besseren Verständmis der Figur. Es versteht sich, daß der quasi homogene Stützkörper 13 aus Hartschaum oder ähnlichem Material auch durch ein konventionelles Stützgerüst aus Holmen und Rippen ganz oder teilweise ersetzt oder ergänzt werden kann. Der komzemtrierende Reflekton als Flugkörper besteht des weiteren aus einem Seitenruderwerk 2₀, das in seinem vorderen Teil relativ dünn ist, um zum einen den Luftwiderstand zu verringern, um zum anderen aber die Fokussierung der Strahlung auf das Absorbersystem 21 zu ermöglichem. Das strahlungsabsorbierend System 21 ist als Modul in dem hinteren, verdickten Teil des Seitemruderwerkes, hier durch die Ziffer 22 gekennzeichnet, eingesetzt; seim Strahlungsfemster 23 ist sphärisch, ragt in den dünnen Teil des Seitenruderwerkes und befindet sich im Fokus des komzentrierenden Reflektors. Ist die reflektierende Folie 15 genau justiert, vereinigt sich sämtliche, durch den Pfeil in Fig. 9 dargestellte, einfallende Strahlung im Fenster 23. Das Seitenruderwerk wird durch einen Tragbügel 24 (oberhalb der transparenten Folie 11 befindlich) gehalten, dessen vorderes Ende an Stützkörper 13 montiert ist, dessen hinteres Ende in die Vorderkante des Seitenruderwerkes 2o übergeht. Die Klappe für das Seitenruder ist durch die Ziffer 25 gekennzeichnet.

Das Seitenruderwerk 2o ist mit den beiden Enden des Tragwerkes lo durch das Höhen- und Querruderwerk 3o verbunden, das eine leicht trapezförmige Gestalt aufweist und die Ruderelemente 31 für das Höhenruder und die Ruderelememte 32 für das Querruder aufweist.

Das Triebwerk 4o in Form einer Turbomaschine oder eimes Stirlingmotors mit Propeller ist an der Hinterseite des Flugzeuges befestigt und zwar in der Basis des Seitemruderwerkes 2o. Das Triebwerk kann so ausgelegt sein, daß es die Abwärme des strahlungsabsorbieremde Systems 21 verwendet; alternativ kann es aber auch einen unabhängigen Amtriebsmechanismus darstellem. Im Falle des micht-freien Flugkörpers kann an die Stelle des Triebwerkes ein Generator treten.

Es wurde bereits angemerkt, daß der Stützkörper 13 aus Hartschaum auch durch ein konventionellen Stützgerüst aus Holmen und Rippem, wie es aus dem Flugzeugbau her bekannt ist, ersetzt werden kamm. Das bedeutet, daß in diesem Fall das Innere des Stützgerüstes 13 der Tragfläche lo wenigstens teilweise Hohlräume aufweist, und daß diese Hohlräume beispielsweise zur Aufnahme des Treibstoffes für den Antrieb 4o dienen können. Wichtig ist jedoch, daß die Hohlräume vor allem die Edukte für das strahlungsabsorbierende System 21 und die durch Photosynthese gebildeten Produkte aufnehmem. Es liegt nahe, daß auch im Fall einer Schaumstruktur 13 ein Teil dieser Struktur Hohlräume für die genannten Zwecke aufweisen kann. Zusätzlich, und dies gilt speziell für den Fall sehr großer Flugkörper, kann ein Teil der Hohlräume in der Tragfläche für die Aufnahme eines Piloten verwendet werden.

Zwei weitere Einzelheiten sind zu erwähnen: Die Oberfläche des Seitenleitwerkes 2o in seinem dünneren Teil kann als wärmetauschende Fläche verwendet werden, um die Abwärme des Systems 21 an die Umgebungsluft abzugeben. Eine weitere Änderung ist in der Figur 9a dargestellt, sie betrifft eine Variante für die Strahlungsführung und damit für die Ausbildung des atrahlungsaufnehmenden Fensters des Systems 21. In das Höhenleitwerk 3o ist eiw Hohlspiegel 26 oberhalb des Brennpunktes eingesetzt, der die Strahlung direkt aenkrecht in das System 21 leitet; in diesem Fall entfällt das aphärische Fenster 23 und wird durch ein ebewea Fenster 27 außerhalb des Fokus ersetzt.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß bei sehr größen Flugkörpers der Tragbügel 24 aus statischen Gründen durch eine Rippe abzustützen ist, die sich in der Symmetrieebene des Flugkörpers befindet und dort den Raum zwischen Haut 12 und Folie ll auatüllt; in diessem Falle sind die reflektierende Folie 15 und die transparente Folie 11 zweigeteilt.

Liste der Bezugszahlen

• lo konzentrierender Reflektor und Tragwerk (Flügel)
• 11 transparents Folie
• 12 Haut
• 13 Stützkörper bzw. Stützgerüat
• 14 Flügelnase
• 15 reflektierende Folie
• 16 Gaskissen
• 17 Flügelhinterkanto
• 18 veratärkemdes Netz
• 2o Strahlungsabsorber und Seitenruderwerk
• 21 atrahlungsabsorbierendes System (Modul)
• 22 hinterer, verdickter Teil des Seitearuderwerkea
• 23 Fenster (spharisch) für die Strahlung im Fokus
• 24 Tragbügel
• 25 Ruderelemewt für Seitenruder
• 26 Hohlspiegel
• 27 Fenster (eben) für die Strahlung
• 3o Höhex- und Querruderwerk
• 31 Ruderelemewte des Hohexrudera
• 32 Ruderelemeets dearQuerrudera
• 4o Triebwerk bzw. Generator