Nichtabbildende Optik für einachsig nachgeführte Konzentratorsysteme:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
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| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1996
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| Schriftenreihe: | Verein Deutscher Ingenieure: [Fortschritt-Berichte VDI / 6]
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| adam_text | Titel: Nichtabbildende Optik für einachsig nachgeführte Konzentratorsysteme
Autor: Brunotte, Martin
Jahr: 1996
Inhaltsverzeichnis V Inhaltsverzeichnis Einleitung.......................................................................................................................................1 Literatur über nichtabbildende Optik..................................................................................2 Neue Entwicklungen im Rahmen der Arbeit......................................................................3 1. Strahlungsangebot für konzentrierende Systeme................................................................6 1.1. Strahlungsverteilung am Himmel..............................................................................6 1.1.1. Sonnenstand................................................................................................6 1.1.2. Zirkumsolarstrahlung..................................................................................8 1.2. Strahlungsmessungen und Strahlungsmodelle...........................................................9 1.3. Vergleich der Einstrahlung auf statische und nachgeführte Systeme........................11 1.4. Winkelabhängige Strahlungssummen auf die Apertur..............................................14 1.4.1. Struktur der Quellen für statische und nachgeführte Systeme....................15 1.4.2. Berechnung der Intensitätsverteilung innerhalb der Quellen mit den Testreferenzjahren...................................................................................................17 1.4.3. Einfluß von Zirkumsolarstrahlung und Nachführfehler auf die Quelle......19 1.5. Zusammenfassung......................................................................................................21 2. Konzentration von Solarstrahlung........................................................................................22 2.1. Thermodynamische Beschreibung idealer und realer Konzentratoren......................22 2.1.1. Das Phasenraumvolumen einer
Quelle.......................................................22 2.1.2. Verdünnung von Solarstrahlung.................................................................24 2.1.3. Erhaltungssätze bei der Konzentration von Solarstrahlung........................26 2.1.4. Ideale und ideal lambertsche Konzentratoren.............................................28 2.1.5. Konzentratoren mit maximalem Wirkungsgrad und Konzentratoren mit optimaler Verstärkung.............................................................................................29 2.2. Abbildende und nichtabbildende Konzentratoroptik.................................................32 2.2.1. Freiheitsgrade bei der Konstruktion von zwei- und dreidimensionalen Konzentratoren........................................................................................................32
VI Inhaltverzeichnis 2.2.2. Das Vektorflußprinzip zur Konstruktion von idealen zweidimensionalen Konzentratoren........................................................................................................34 2.2.3. Das Vektorflußprinzip im Dreidimensionalen............................................38 2.3. Zusammenfassung................................... 41 3. Der einachsig nachgeftthrte PV-Konzentrator mit dreidimensionaler zweiter Stufe......43 3.1. Funktionsprinzip........................................................................................................43 3.2. Thermodynamische Obergrenze des Verstärkungsfaktors.........................................44 3.3 Der lineare Vorkonzentrator.........................................................................................46 3.3.1. Paraboirinnen..............................................................................................47 3.3.2. Linearkonzentratoren auf Totalreflexionsbasis...........................................51 3.4. Die zweite Konzentratorstufe.....................................................................................53 3.4.1. Die Quelle für die zweite Stufe...................................................................53 3.4.2. Lineare und rotationssymmetrische CPCs.................................. 55 3.4.3. Hintereinandergeschaltete lineare CPCs.....................................................56 3.4.4. Gekreuzte Konzentratoren...........................................................................57 3.4.4.1. Gekreuzter Standard-CPC............................................................58 3.4.4.2. Gekreuzter 0 in /ö out -Konverter......................................................59 3.4.4.3. Winkelabhängigkeit des optischen Wirkunkgsgrads und der Intensitätsverteilung am Ausgang der zweiten Stufe..................................64 3.4.4.4. Mittlere Zahl der Reflexionen im
Konzentrator...........................67 3.4.4.5. Gekreuzte Konzentratoren mit anderen Profilen....................... 68 3.4.5. Dreidimensionale Sekundärkonzentratoren mit dem Vektorflußprinzip.... 69 3.5. Optimierung des Gesamtsystems...............................................................................71 3.5.1. Optimale Relation zwischen geometrischem Konzentrationsfaktor und optischem Wirkungsgrad........................................................................................72 3.5.2. Optimierung des Gesamtwirkungsgrads.....................................................77 3.5.3. Wirtschaftliches Optimum von zweistufigen Konzentratoren....................79 3.6. Zusammenfassung. 83
Inhaltsver zeichnis _ VII 4. Herstellung, Vermessung und Auswertung von zweistufigen Konzentratoren................85 4.1. Meßverfahren für den winkelabhängigen optischen Wirkungsgrad..........................85 4.2. Die erste Konzentratorstufe.......................................................................................87 4.2.1. Herstellung..................................................................................................87 4.2.2. Bestimmung der Intensitätsverteilung in der Brennebene..........................89 4.3. Die zweite Konzentratorstufe.....................................................................................93 4.3.1. Herstellungsverfahren.................................................................................93 4.3.2. Optische Verluste in der zweiten Konzentratorstufe...................................94 4.3.2.1. Verluste durch Absorption und Streuung im Volumen des Konzentrators..............................................................................................94 4.3.2.2. Totalreflexionsverluste.................................................................96 4.3.2.3. Reflexionsverluste an der Solarzelle............................................97 4.3.3. Messung des optischen Wirkungsgrads von dielektrischen Sekundärkonzentratoren und Vergleich mit der Simulation...................................99 4.4. Das zweistufige Gesamtsystem..................................................................................101 4.4.1. Symmetrische und asymmetrische zweistufige Konzentratoren.................101 4.4.2. Kühlung der Solarzellen..............................................................................103 4.4.3. Messung des winkelabhängigen optischen Gesamtwirkungsgrades...........104 4.4.4. Effektive Quelle für das Gesamtsystem......................................................106 4.4.5. Elektrischer Wirkungsgrad des zweistufigen
Konzentrators......................108 4.5. Ausblick auf weiterführende Konzepte......................................................................109 4.5.1. Kompakte nichtabbildende Primärkonzentratoren......................................109 4.5.2. Systeme mit interner Nachführung.............................................................110 4.6. Zusammenfassung......................................................................................................112 5. Zusammenfassung und Ausblick............................................................................................114 5.1. Zusammenfassung........................................................................................................114 5.2. Ausblick.......................................................................................................................116 Literaturverzeichnis.....................................................................................................................117
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