Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sonnenenergie-Kollektoranordnung mit einem Medium zum Aufheizen, das durch einen Empfänger fliesst, der in der Brennlinie eines Linienkonzentrators angeordnet ist.
Bekannt sind sog. Zylinderparabolkonzentratoren, in deren linienförmigen Brennlinien schwarz gefärbte Rohrempfänger angeordnet sind, in welchen \l als Wärmeträger auf mehrere hundert Grad Celsius erwärmt wird.
Solche Einrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass die zum Betrieb benötigten \le sehr teuer sind und trotzdem nur bedingt gebraucht werden können, da ihre höchste Betriebstemperatur deutlich unterhalb der optimalen Betriebstemperatur für Turbogeneratoren liegt. Aus diesem Grunde hat man versucht andere, geeignetere Wärmeträgermedien zu finden, die die erwähnten Nachteile nicht mehr aufweisen. Es wurden bereits flüssige Metalle wie z.B. Natrium oder eutektische Salzmischungen vorgeschlagen, welche wiederum andere Nachteile aufweisen und nicht zuletzt auch teuer sind.
Gemäss der Erfindung wird nun prinzipiell die Verwendung eines gasförmigen Wärmeträgers vorgeschlagen. Dies ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da gasförmige Wärmeträger gegenüber flüssigen Wärmeträgern viel geringere spezifische Wärme aufweisen, welche zum Abtransport der Wärmemengen nicht genügen. Diese Schwierigkeiten entstehen sogar in gesteigertem Masse bei der Verwendung von Luft als Wärmeträger, die sich sonst ideal dazu eignen würde, da Luft kostenlos und unbeschränkt zur Verfügung steht und keiner Temperaturbeschränkung unterliegt. Sie ist transparent und kann in durchsichtigen Rohren und Platten geführt werden.
Zur Vermeidung der erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile wird gemäss der Erfindung eine Sonnenenergie-Kollektoranordnung vorgeschlagen, welche die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist. Demgemäss ist der Empfänger mit einer Rückstrahlfläche versehen und/oder im Innern grossflächige dunkle Strukturen enthält, so dass als gasförmiges Medium CO2 und/oder NO oder eine Verbindung derselben bzw. Luft verwendet werden kann. Dies wird noch später ausführlich erläutert.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Kollektoranordnung ist es zweckmässig, die in Anspruch 7 aufgeführten Massnahmen anzuwenden. Dies ist insofern sinnvoll, als ein wichtiger Verlustfaktor des auf hohe Temperatur erhitzten inneren Empfängers in seiner gemäss dem Wien'schen Verschiebungsgesetz zum längerwelligen hin verschobenen Strahlung besteht. Diese Strahlung wird von transparentem Umhüllungsmaterial (z.B. Glas) absorbiert und in Wärme umgewandelt, die von der Luft, die entlang der heissen Wandung strömt, grösstenteils aufgenommen wird.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Sonnenenergie Kollektoranordnung ist auf beiliegender Zeichnung dargestellt und zwar zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen rein schematisch gezeichneten Empfänger, welcher mit Luft als Arbeitsmedium und Wärmeträger betrieben wird;
Fig. 2 einen rein schematisch gezeichneten Längsschnitt durch die Ausführung nach Fig. 1;
Fig. 3 einen rein schematisch gezeichneten Querschnitt durch eine zweite Ausführung des Empfängers einer Sonnenenergie-Kollektoranordnung, welche mit CO2 und/oder N als Arbeitsmedium und Wärmeträger betrieben wird; und
Fig. 4 ein Diagramm, zur Darstellung des selektiven Absorptionsverhaltens eines Arbeitsgases.
Die Sonnenenergie-Kollektoranordnung zum Aufheizen eines Mediums weist einen Empfänger 1 auf, der mit einem inneren Receiverrohr 2 ausgerüstet ist. Der Empfänger 1 ist in der Brennlinie eines in der Zeichnung nicht näher dargestellten Konzentrators angeordnet, welcher dem Fachmann bekannt ist.
Aus dem Konzentrator erreichen die linienförmig konzentrierten Lichtbündel 3 das Receiverrohr 2, welches an seiner der Strahlung zugekehrten Hälfte transparent ist aber auf der an der anderen Hälfte, auf der Rückseite 4 eine schwarze Schicht aufweist. Diese Hälfte ist ferner mit einer Hochtemperatur-Isolation 5 versehen.
Das Receiverrohr 2 ist ferner von zwei Glasrohren 6 und 7 umgeben, die das Receiverrohr 2 koaxial umhüllen und Lufthohlräume 8 und 9 umschliessen. Dabei werden die Röhre 6 und 7 sowie das Receiverrohr 2 in Serie hintereinander geschaltet.
Es ist auch möglich noch weitere Glasrohre als konzentrische Umhüllungen zu verwenden, welche die in ihnen absorbierte Primär- und Rückstrahlung zum grossen Teil in der Form von Wärme an den zu erwärmenden Luftstrom zurückgeben. Durch die Parallelschaltung der Röhren stehen die Lufthohlräume 8 und 9 untereinander und mit dem Inneren des Receiverrohres 2 in Verbindung, wobei die Luft als Wärmeträgermedium zunächst durch die Lufthohlräume 8 und 9 und anschliessend durch das Receiverrohr 2 geführt wird, wie dies insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Zur Umwandlung der Strahlen in Wärme ist das Receiverrohr 2 mit grossflächigen, dunklen Strukturen z.B. mit einem feinen Drahtgeflecht 10 oder mit Keramikwabenstrukturen gefüllt, welche sich zum Übertragen von Strahlungsenergie an die Luft hervorra gend eignen, indem sie die notwendigen grossen Wärmetauschflächen liefern.
Bei der praktischen Ausführung des Empfängers 1 wird die Anzahl der erforderlichen Umhüllungen (Glasrohre 6 bzw. 7) in Funktion der erwünschten Prozesstemperatur ermittelt. Dabei wird die Temperatur in der äussersten Hülle, welche an die Umgebungsluft, grenzt möglichst wenig erhöht um den Wirkungsgrad nicht nachteilig zu beeinflussen. Dabei können in diesen äusseren Bereichen alternativ zu Glas auch hochtransparente Kunststoffe wie z.B. Tetrafluoräthylen od. dgl. zum Einsatz kommen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Luftvolumen zwischen der innersten transparenten Hülle und der nächstfolgenden transparenten Hülle nicht zirkuliert, sondern abgeschlossen ist und nur die nachfolgenden Zwischenräume von der Prozessluft aktiv durchströmt werden. In dieser Weise wird zwischen dem inneren heissen Receiverrohr 2 und den äusseren Schichten ein Isolationspolster geschaffen, welches den durch einen Luftstrom erzeugten, in diesem Bereich unerwünschten erhöhten Wärmeentzug aus der heissen Wandung verhindert.
Eine weitere Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wird die Funktion der gemäss der vorangehenden Ausführung verwendeten dunklen Strukturen (Drahtgeflecht oder dgl.) direkt vom Gas übernommen. Man hat bereits versucht solche direkt absorbierende Gase zu finden. Da für das einfal lende Solarspektrum die in Frage kommenden Gase hochtransparent sind, wurde versucht, kleinste Partikelchen wie z.B. Kohlestaub einzublasen.
Dieses Verfahren ist jedoch mit Nachteilen verbunden. Erstens muss für eine gewünschte Konzentrationsverteilung der Schwebepartikelchen gesorgt werden. Zweitens muss deren Niederschlag an den transparenten Teilen vermieden werden und drittens ist es nachteilig, wenn Schichten aufgebaut werden, die die Wärmeübertragung vermindern.
Diese Schwierigkeiten können durch die Wahl eines Arbeitsgases vermieden werden, das für das einfallende Solarspektrum im wesentlichen durchlässig, für die Rückstrahlung eines in der verdichteten Primärstrahlung auf hohe Temperaturen gebrachten schwarzen Körpers jedoch im hohen Masse absorbierend ist.
Eine solche Ausführung weist ein Receiverrohr 11 auf, welches mit einem selektiven Gas 12 gefüllt ist oder von einem solchen Gas durchströmt wird. Die der Strahlung gegenüberliegende Wand 13 des Receiverrohres 11 ist schwarz eingefärbt und mit einer thermischen Isolierung 14 versehen. Mit 15 ist ein einfallender Strahl des konzentrierten Sonnenlichtes bezeichnet, der das selektive Gas 12 praktisch ohne Verlust durchdringt und von der schwarzen Wand 13 absorbiert wird. Diese thermisch isolierte Wand erwärmt sich auf hohe Temperatur, die wiederum als gegenüber dem einfallenden Solarspektrum in Richtung Langwelle ver schobenes Spektrum in das selektive Gas reflektiert wird. Diese reflektierte Strahlung ist in Fig. 3 mit 16 bezeichnet.
Das gewählte Gas 12 muss die Eigenschaft haben, für die reflektierte Strahlung 16 bzw. für das reflektierte Spektrum stark absorbierend zu sein und diese nach kurzen Extinktionswegen über grosse molekulare Tauschflächen in Wärme umzuwandeln.
Erfindungsgemäss eignen sich hervorragend CO2 sowie NO sowie eine Mischung der beiden Gase zum erwähnten Zwecke. Zur Verkürzung der Extinktionswege kann der Gasdruck erhöht werden. Zur Regelung der Strahlungstemperatur bzw. zur Aufrechterhaltung einer konstanten Strahlungstemperatur der schwarzen Wand 13 in das selektive Gas 12 bei variabler Sonneneinstrahlung wird das pro Zeiteinheit strömende Gasvolumen variiert.
Das selektive Absorptionsverhalten eines Arbeitsgases, welches die erwähnten Eigenschaften aufweist, ist in Fig. 4 dargestellt. Die relative Intensität der Strahlung ist entlang der Ordinate 17 und die Absorptionskoeffiziente entlang der Ordinate 18 aufgetragen, während entlang der Abszisse 19 die Wellenlängen abzulesen sind. Die mit 20 bezeichnete Kurve zeigt das einfallende Solarspektrum während die Kurve 21 das typische Spektrum einer heissen Receiverrückwand veranschaulicht. Schliesslich ist mit 22 das Absorptionsspektrum eines idealen, schwarzen selektiven Gases in Funktion der Wellenlänge gezeichnet.
In der beschriebenen Weise ist die Möglichkeit gegeben, Gase als Wärmeträger zu verwenden, welche so hoch aufgeheizt werden können, dass der Temperaturbereich in den optimalen Temperaturbereich der angeschlossenen Wärmekraftmaschinen liegt.
Darüber hinaus erschliesst die Verwendung von Luft als Wärmeträgermedium eine Vereinfachung und wesentlich Verbilligung beim Betrieb einer Sonnenenergie-Kollektoranordnung, wobei trotzdem ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht wird, so dass die Wirtschaftlichkeit einer entsprechenden Anlage in hohem Masse als gegeben erscheint.
The present invention relates to a solar energy collector assembly with a heating medium flowing through a receiver located in the focal line of a line concentrator.
So-called cylindrical parabolic concentrators are known, in the line-shaped focal lines of which black-colored tube receivers are arranged, in which the heat transfer medium is heated to several hundred degrees Celsius.
However, such devices have the disadvantage that the \ le required for operation are very expensive and can nevertheless only be used to a limited extent, since their highest operating temperature is significantly below the optimal operating temperature for turbogenerators. For this reason, attempts have been made to find other, more suitable heat transfer media which no longer have the disadvantages mentioned. Liquid metals such as e.g. Sodium or eutectic salt mixtures are proposed, which in turn have other disadvantages and are not least expensive.
According to the invention, the use of a gaseous heat transfer medium is now proposed in principle. However, this is not readily possible, since gaseous heat transfer media have much lower specific heat than liquid heat transfer media, which are not sufficient to remove the heat quantities. These difficulties even arise to an increased extent when using air as a heat transfer medium, which would otherwise be ideal, since air is available free of charge and without restrictions and is not subject to any temperature restrictions. It is transparent and can be run in transparent tubes and plates.
To avoid the difficulties and disadvantages mentioned, a solar energy collector arrangement is proposed according to the invention, which has the features listed in claim 1. Accordingly, the receiver is provided with a retroreflective surface and / or contains large-area dark structures on the inside, so that CO2 and / or NO or a compound thereof or air can be used as the gaseous medium. This will be explained in detail later.
To increase the efficiency of the collector arrangement, it is expedient to apply the measures listed in claim 7. This makes sense insofar as an important loss factor of the inner receiver, which is heated to high temperature, is its radiation, which is shifted towards the longer wave in accordance with Wien's law of displacement. This radiation is absorbed by transparent wrapping material (e.g. glass) and converted into heat, which is largely absorbed by the air flowing along the hot wall.
An exemplary embodiment of the solar energy collector arrangement according to the invention is shown on the attached drawing and shows:
Figure 1 shows a cross section through a purely schematically drawn receiver, which is operated with air as the working medium and heat transfer medium.
FIG. 2 shows a purely schematically drawn longitudinal section through the embodiment according to FIG. 1;
3 shows a purely schematically drawn cross section through a second embodiment of the receiver of a solar energy collector arrangement which is operated with CO2 and / or N as the working medium and heat transfer medium; and
Fig. 4 is a diagram showing the selective absorption behavior of a working gas.
The solar energy collector arrangement for heating a medium has a receiver 1 which is equipped with an inner receiver tube 2. The receiver 1 is arranged in the focal line of a concentrator, not shown in the drawing, which is known to the person skilled in the art.
From the concentrator, the linearly concentrated light bundles 3 reach the receiver tube 2, which is transparent on its half facing the radiation but has a black layer on the other half, on the back 4. This half is also provided with high-temperature insulation 5.
The receiver tube 2 is also surrounded by two glass tubes 6 and 7, which coaxially envelop the receiver tube 2 and enclose air cavities 8 and 9. The tubes 6 and 7 and the receiver tube 2 are connected in series.
It is also possible to use further glass tubes as concentric envelopes, which largely return the primary and back radiation absorbed in them in the form of heat to the air flow to be heated. Through the parallel connection of the tubes, the air cavities 8 and 9 are connected to one another and to the interior of the receiver tube 2, the air as a heat transfer medium first being passed through the air cavities 8 and 9 and then through the receiver tube 2, as is particularly the case in FIG. 2 can be seen.
To convert the rays into heat, the receiver tube 2 has large, dark structures, e.g. filled with a fine wire mesh 10 or with ceramic honeycomb structures, which are outstandingly suitable for transmitting radiation energy to the air by providing the necessary large heat exchange surfaces.
In the practical implementation of the receiver 1, the number of envelopes required (glass tubes 6 or 7) is determined as a function of the desired process temperature. The temperature in the outermost envelope, which borders on the ambient air, is increased as little as possible so as not to adversely affect the efficiency. As an alternative to glass, highly transparent plastics such as e.g. Tetrafluoroethylene or the like can be used.
A further embodiment of the invention provides that the air volume between the innermost transparent envelope and the next transparent envelope is not circulated, but is closed, and only the subsequent spaces are actively flowed through by the process air. In this way, an insulation pad is created between the inner hot receiver tube 2 and the outer layers, which prevents the increased heat removal from the hot wall generated in this area by an air stream, which is undesirable in this area.
Another embodiment of the subject matter of the invention is shown in FIG. 3. Here, the function of the dark structures (wire mesh or the like) used according to the preceding embodiment is taken over directly by the gas. Attempts have already been made to find such directly absorbing gases. Since the gases in question are highly transparent for the incident solar spectrum, attempts were made to remove the smallest particles such as Blow coal dust.
However, this method has disadvantages. First, a desired concentration distribution of the suspended particles must be ensured. Secondly, their precipitation on the transparent parts must be avoided and thirdly, it is disadvantageous if layers are built up which reduce the heat transfer.
These difficulties can be avoided by choosing a working gas which is essentially transparent to the incident solar spectrum, but which is highly absorbing to the retroreflection of a black body brought to high temperatures in the compressed primary radiation.
Such an embodiment has a receiver tube 11 which is filled with a selective gas 12 or through which such a gas flows. The wall 13 of the receiver tube 11 opposite the radiation is colored black and provided with thermal insulation 14. 15 denotes an incident beam of concentrated sunlight, which penetrates the selective gas 12 practically without loss and is absorbed by the black wall 13. This thermally insulated wall heats up to a high temperature, which in turn is reflected into the selective gas as a spectrum shifted towards the long wave in relation to the incident solar spectrum. This reflected radiation is designated 16 in FIG. 3.
The selected gas 12 must have the property of being strongly absorbing for the reflected radiation 16 or for the reflected spectrum and converting it into heat after large extinction paths over large molecular exchange surfaces.
According to the invention, CO2 and NO and a mixture of the two gases are outstandingly suitable for the purpose mentioned. The gas pressure can be increased to shorten the extinction paths. In order to regulate the radiation temperature or to maintain a constant radiation temperature of the black wall 13 into the selective gas 12 with variable solar radiation, the gas volume flowing per unit of time is varied.
The selective absorption behavior of a working gas, which has the properties mentioned, is shown in FIG. 4. The relative intensity of the radiation is plotted along the ordinate 17 and the absorption coefficient along the ordinate 18, while the wavelengths can be read along the abscissa 19. The curve labeled 20 shows the incident solar spectrum, while curve 21 illustrates the typical spectrum of a hot receiver rear wall. Finally, the absorption spectrum of an ideal, black, selective gas is plotted as a function of the wavelength at 22.
In the manner described, there is the possibility of using gases as heat carriers, which can be heated up to such an extent that the temperature range lies in the optimal temperature range of the connected heat engines.
In addition, the use of air as a heat transfer medium opens up a simplification and significantly cheaper when operating a solar energy collector arrangement, whereby a very high degree of efficiency is achieved, so that the economic viability of a corresponding system appears to be highly given.