[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Technologie um mittels der Sonne und Fresnellinsen Prozesswärme zu erzeugen und damit einen Motor anzutreiben.
[0002] Thermischen Verfahren ähnlicher Art sind allgemein bekannt, üblicherweise wird auf eine sehr hohe Carnotzahl Wert gelegt was jedoch ein möglichst hohes Temperaturgefälle voraussetzt. Die hohen Temperaturen haben wiederum die Folge, dass das Licht höher, mehrfach Konzentriert werden muss.
[0003] Die Verluste in einem Solarsystem sind dermassen hoch das es sinnvoll ist, bei kleinerer Temperatur dafür mit sehr günstigen Kollektoren zu arbeiten wozu diese Kollektorentwicklung dienen soll.
Ein weiterer Nachteil der hoch konzentrierenden Kollektoren ist das diese kaum aufgestellt werden können was lange nicht beaufschlagte Rohrleitungen von Kollektor zu Kollektor mit grossen Verlusten zur Folge hat.
[0004] In Nördlicheren Regionen ist es aber wichtig das die Kollektoren im Winterhalbjahr möglichst steil zur Sonne ausgerichtet werden.
[0005] Hauptfaktor für den Preis der Kollektoren ist die sehr hohe Anforderung an die Präzision, dem benötigten hohen Konzentrationsfaktor der mit zunehmendem Wärmebedarf exponentiell zunimmt.
[0006] Bei kleinerem Temperaturgefälle kann wie in dieser Patentschrift beschrieben durch das beaufschlagen lediglich eines Teilbereichs des Absorbers auf all zu hohe Präzision verzichtet werden. Bei Abweichungen zur Sollposition trifft bis zu einem gewissen Grad immer noch der gesamte Lichtkegel auf das Absorberrohr. Durch die Leitfähigkeit des Absorberrohrs verteilt sich diese unabhängig vom Einstrahlbereich.
[0007] Das Absorberrohr wird durch Isolation und durch Schutzbleche welche möglichst die kühlende Luftzirkulation verhindern sollen geschützt.
[0008] Das Rohr kann zum Schutz vor thermischen Verlusten auch mittels eines Vakuumrohrs geschützt werden.
[0009] Eine weitere zweckmässige Variante ist das Vakuum mittels einer Pumpe aufrechtzuerhalten, welche lediglich die Leckverluste kompensieren muss. Das vereinfacht die Konstruktion des Kollektors erheblich. Übergänge können wie bei der Spanntechnik im Maschinenbau mit Dichtungen verschlossen werden.
[0010] Die Rohrkonstruktion für das zu erhitzende Fluid kann gerade als Drehpunkt für die Aufnahme des Fresnellinse genutzt werden und steht dadurch genau im Fokus.
[0011] Die Kollektoren können synchron der Sonne nachgefahren werden, wozu lediglich ein oder zwei Motoren für ein riesiges Solarfeld benötigt werden.
[0012] Einfache Seilverbindungen welche sauber gespannt sein müssen erzeugen dank des breiten Absorbers eine genügend grosse Präzision.
[0013] Es kann auch eine steife, fahrbare Konstruktion vorgesehen werden die möglichst ein Gleichgewicht zur Fresnellinse bildet und möglichst in Drehpunkt beim Absorberrohr aufgehängt wird, gemäss der Beispielszeichnung in Fig. 3.
[0014] Als Linse können Beispielsweise 5 mm breite, schräg zur oberen Scheibenfläche angebrachte Bahnen die gegen die Mitte der Scheiben je länger je paralleler werden angebracht werden. Dadurch kann ein 5 mm breiter Brennpunkt erzeugt werden in welchem sich alle Strahlen treffen, und der sich auf dem Absorber befindet. Wird nun mit einem 60 mm Absorberrohr gearbeitet, ist eine erhebliche Positionsabweichung möglich, ohne dass der Brennpunkt die Röhre verlässt.
[0015] Soll ein kleinerer Rohrdurchmesser realisiert werden, kann wie in Fig. 4 gezeigt eine Rippenform ums Rohr gewählt werden, welche das Rohr aussteift und gleichzeitig eine grosse Oberfläche fürs einstrahlende Licht bildet.
[0016] Je kleiner die Prozesstemperatur um so besser funktioniert dieses Verfahren, den der Konzentrationsfaktor nimmt ab.
[0017] Als Material für die Fresnel-Linsen kommt Kunststoff oder Glas in Frage, Hauptsache die Durchlässigkeit von IR Strahlung vom Solarspektrum ist gut, entspricht dem Kosten- Leistungsverhältnis.
[0018] Oberflächenbeschichtungen können zusätzlich die Spiegelung reduzieren, die Transmission verbessern, die Verschmutzung verhindern oder einen andern Umlenkwinkel vom Licht erzeugen.
[0019] Glas hat den Vorteil dass dieses erwiesenermassen kaum altert und somit über Jahrzehnte, gar Jahrhunderte eingesetzt werden kann.
[0020] Die grossen Flächen ermöglichen eine schnelle und kostengünstige Herstellung der Solarpanelen, indem diese Industriell beispielsweise durch Walztechnik sehr präzise hergestellt werden können.
[0021] Sämtlichen Teile können Baukastenartig hergestellt und montiert werden.
[0022] Nebst einer flachen Linse ist es auch denkbar diese zu wölben was wiederum mit Mehrkosten verbunden ist.
[0023] Mit dieser Art von Kollektoren können Motoren nach dem Wankelprinzip angetrieben werden, ORC Turbinen, allenfalls sogar Dampfturbinen oder einfach nur Prozesswärme erzeugt werden.
[0024] Eine weitere Variante um das nachführen zu begünstigen ist, wenn das Absorberrohr gerade den Drehpunkt und den Massemittelpunkt vom beweglichen System bildet. Dadurch kann nachgefahren, abgedreht werden ohne dass ein Übergewicht entsteht, das die Mechanik belastet.
Mit zunehmender Distanz vom Drehpunkt entfernt, verbessert sich die Präzision.
Verfahrungsgenauigkeiten werden weniger stark übertragen, ausserdem wirkt das Hebelgesetz.
[0025] Eine in sich steife Konstruktion ähnlich einer Grundplatte mit Drehgelenken kann an die einzelnen Kollektorgestänge montiert werden um diese alle gemeinsam synchron verfahren, abdrehen zu können. Wenige Motoren reichen aus um die Fahrbewegung durchführen zu können. Die Platte kann auch aus Profilstangen aufgebaut werden mit Drehgelenken an den Übergängen zum Kollektorgestänge.
[0026] Mittels zusätzlichem Gewicht kann der Massenschwerpunkt möglichst zum Drehpunkt um den Absorber herum verschoben werden. Das reduziert die Kraft vom Motor.
[0027] Fig. 1 zeigt schematisch eine Gesamtansicht vom Kollektorfeld mit den Fresnelplatten 1, den Absorberrohren 2, dem Gestell 3 das das Absorberrohr mit der Fresnelplatte verbindet, eine Vorrichtung zum Aussteifen der Aufhängung 4 zum Nachführen. Die Seilzüge und die Motoren zur Positionierung werden nicht gezeigt Fig. 2 zeigt schematisch das Funktionsprinzip der Fresnelplattel welche das Licht 5 beim Austritt 6 auf der Unterseite umlenkt und auf den Absorber 7 leitet der mittels einer Glasröhre 8 und Vakuum 9 vor thermischen Verlusten geschützt wird. Auf der linken Seite der Linse wird das Licht nicht mehr eingezeichnet.
Die Linse könnte auch auf der der Sonne zugewandten Seite geprägt sein.
[0028] Fig. 3 zeigt schematisch eine Gesamtansicht vom Kollektorfeld mit einer Stangenkonstruktion fürs synchrone Nachführen zur Sonne. Die in sich steife Konstruktion besteht aus Längs-10, Querträgern 11 und Querstangen 12 für die Stabilisation. Über Drehgelenke 13 welche auch nur aus einer Bohrung und einem Bolzen gar nur einer Schraube bestehen können, wird die Konstruktion an den einzelnen Kollektorständern 14 montiert. Ein Motor regelt die Positionierung. Die Zeichnung zeigt ein Zahnrad am Grundgestänge mit dem Motor am Kollektorständer welcher durch die Drehung und der Zahnradübersetzung eine scherenartige Bewegung und ein entsprechendes Nachführen verursacht.
Es sind diverse weitere Varianten zum Verfahren möglich.
Zusätzliche Gewichte 17 am Grundgestänge verlagern den Massenschwerpunkt der beweglichen Konstruktion ins Drehgelenk 18, dem Absorberrohr für einen möglichst geringen Kraftaufwand beim Nachfahren.
[0029] Fig. 4 zeigt schematisch einen Übergang von einem Vakuumrohr 19 an den Träger 20 respektive einer Rohrverlängerung. Das Absorberrohr 21 wird in ein Übergangsstück 22 gesteckt und mittels einem Schraubdeckel 23 die eine Dichtung 24 zwischen dem Absorberrohr und dem Übergansstück verpresst positioniert und abgedichtet. Distanzringe 25 die von Vorteil für einen möglichst geringen Kontakt und Wärmeübertragung einen etwas kleineren Durchmesser aufweisen als der das Trägerrohrs sorgen für die exakte Positionierung des Absorberrohrs.
[0030] Ein Glasrohr 19 wird ins Trägerrohr 26 eingesteckt und mit einer Dichtungen 27 fixiert und abgedichtet. Die Dichtungen werden im Betrieb durch das Vakuum angesaugt und durch die konische Ausführung nochmals stärker verpresst, die Dichtheit dadurch erhöht. Bei steiler Ausführung ist ein Schraubdeckel nötig Durch einen grossen Abstand 28 vom Distanzring zum Rohranfang und etwas kürzeren Glasröhren als das Absorberrohr, kann das Glas jeweils zur Seite geschoben werden, um den Schraubdeckel zu befestigen.
[0031] Die Dichtungen fürs Vakuumrohr werden als Variante als Band ausgeführt, welches zu einem Ring geformt und fixieret werden kann, damit auch nach der Installation vom Rohr eine Dichtung angebracht werden kann.
[0032] Bei steiler Kollektorstellung ist es angebraucht auch das Vakuumrohr zusätzlich zu fixieren, beispielsweise analog wie das Kollektorrohr.
[0033] Fig. 5 zeigt schematisch ein Absorberrohr 29 mit Absorber- 30 und Abstandhaltefinne 30. Die Finne ermöglicht eine sehr durchbiegesteiffe Form eines dünneren Rohrs und bildet gleichzeitig eine grosse Oberfläche um Licht auffangen zu können. Am Rohranfang 31 können für die Montage die Finnen abgesetzt sein.
[0034] Fig. 6 zeigt schematisch eine Kollektorengruppe an Ständermasten 32 mit Dreh- oder Kippgelenken beim Übergang an den Kollektor für die Jahreszeitliche Ausrichtung zur Sonne, fürs beibehalten der Brennpunktdistanz zur Linse. Der Ständer kann mit einem weiteren nicht gezeigten Drehgelenk versehen werden um einzelne Panels zum Boden hin abkippen zu können, für eine bequeme Wartung respektive für die Installation.
Die Jahreszeitlichen Verfahrbewegungen können manuell oder mittels eines Motors ausgeführt werden, die Tageszeitlichen sollten Automatisiert sein.
The present invention relates to a method of producing a technology by means of the sun and Fresnel lenses process heat and thus to drive a motor.
Thermal processes of a similar type are generally known, usually is placed on a very high Carnot value value, however, which requires the highest possible temperature gradient. The high temperatures in turn have the consequence that the light must be higher, several times concentrated.
The losses in a solar system are so high that it makes sense to work at a lower temperature with very cheap collectors what this collector development is to serve.
Another disadvantage of the highly concentrating collectors is that they can hardly be installed which has long unimpaired pipelines collector to collector with large losses result.
In northern regions, it is important that the collectors are aligned as steep as possible to the sun in the winter months.
The main factor for the price of the collectors is the very high demand on the precision, the required high concentration factor increases exponentially with increasing heat demand.
At a smaller temperature gradient, as described in this patent can be dispensed by applying only a portion of the absorber on all too high precision. In case of deviations from the target position, the entire cone of light still hits the absorber tube to a certain extent. Due to the conductivity of the absorber tube, it is distributed independently of the irradiation area.
The absorber tube is protected by insulation and by fenders which should prevent as possible the cooling air circulation.
The tube can also be protected by means of a vacuum tube to protect against thermal losses.
Another expedient variant is to maintain the vacuum by means of a pump, which only has to compensate for the leakage. This considerably simplifies the construction of the collector. Transitions can be sealed with gaskets as in clamping technology in mechanical engineering.
The tube construction for the fluid to be heated can be used just as a fulcrum for receiving the Fresnel lens and is thus in focus.
The collectors can be traced synchronously to the sun, which requires only one or two motors for a huge solar field.
Simple cable connections which need to be taut produce a large enough precision thanks to the wide absorber.
It can also be a stiff, mobile construction are provided which forms an equilibrium with the Fresnel lens as possible and is suspended as possible in the fulcrum at the absorber tube, according to the example drawing in Fig. 3rd
As a lens, for example, 5 mm wide, obliquely attached to the upper disc surface webs are the longer the ever more parallel to be mounted against the center of the discs. As a result, a 5 mm wide focal point can be generated in which all the rays meet, and which is located on the absorber. If you now work with a 60 mm absorber tube, a significant positional deviation is possible without the focal point leaving the tube.
If a smaller pipe diameter can be realized, as shown in Fig. 4, a rib shape can be selected around the tube, which stiffen the tube and at the same time forms a large surface for the incident light.
The smaller the process temperature, the better this method works, the concentration factor decreases.
As a material for the Fresnel lenses is plastic or glass in question, the main thing the transmission of IR radiation from the solar spectrum is good, corresponds to the cost-performance ratio.
Surface coatings can additionally reduce the reflection, improve the transmission, prevent contamination or generate another deflection angle of the light.
Glass has the advantage that this proven hardly ages and thus can be used for decades, even centuries.
The large areas allow rapid and cost-effective production of the solar panels by these industrial can be made very precisely, for example by rolling technology.
All parts can be manufactured and assembled in a modular manner.
In addition to a flat lens, it is also conceivable to buckle this which in turn is associated with additional costs.
With this type of collectors motors can be driven by the Wankel principle, ORC turbines, possibly even steam turbines or just process heat are generated.
Another variant to encourage tracking is when the absorber tube just forms the fulcrum and the center of mass of the moving system. This can be retrained, turned off without causing a preponderance that pollutes the mechanics.
With increasing distance from the fulcrum, the precision improves.
Tracing accuracies are transmitted less strongly, and the lever law also works.
A rigid structure similar to a base plate with swivel joints can be mounted on the individual collector linkage in order to move them all together synchronously, to be able to turn off. Few engines are enough to carry out the movement. The plate can also be constructed of profile bars with swivel joints at the transitions to the collector linkage.
By means of additional weight, the center of gravity can be moved as possible to the pivot around the absorber. This reduces the power of the engine.
Fig. 1 shows schematically an overall view of the collector array with the Fresnel plates 1, the absorber tubes 2, the frame 3 which connects the absorber tube with the Fresnel, a device for stiffening the suspension 4 for tracking. The cables and the motors for positioning are not shown Fig. 2 shows schematically the principle of operation of Fresnelplattel which deflects the light 5 at the outlet 6 on the bottom and on the absorber 7 which is protected by a glass tube 8 and 9 vacuum from thermal losses. The light is no longer drawn on the left side of the lens.
The lens could also be embossed on the side facing the sun.
Fig. 3 shows schematically an overall view of the collector array with a pole construction for synchronous tracking to the sun. The inherently rigid construction consists of longitudinal-10, cross members 11 and cross bars 12 for stabilization. About pivot joints 13 which may consist of only one hole and a bolt even a screw, the construction of the individual collector stands 14 is mounted. A motor controls the positioning. The drawing shows a gear on the base rod with the motor on the collector stand which caused by the rotation and the gear ratio scissor-like movement and a corresponding tracking.
There are various other variants of the method possible.
Additional weights 17 on the base link shift the center of gravity of the movable structure in the pivot 18, the absorber tube for the least possible effort when descending.
Fig. 4 shows schematically a transition from a vacuum tube 19 to the carrier 20 and a pipe extension, respectively. The absorber tube 21 is inserted into a transition piece 22 and by means of a screw cap 23 which presses and seals a seal 24 between the absorber tube and the transition piece. Spacers 25 of advantage for the lowest possible contact and heat transfer have a slightly smaller diameter than that of the support tube ensure the exact positioning of the absorber tube.
A glass tube 19 is inserted into the support tube 26 and fixed with a seal 27 and sealed. The seals are sucked in operation by the vacuum and pressed even more strongly by the conical design, thereby increasing the tightness. For steep versions, a screw cap is required. By a large distance 28 from the spacer ring to the beginning of the tube and slightly shorter glass tubes than the absorber tube, the glass can be pushed to the side to secure the screw cap.
The seals for the vacuum tube are designed as a variant as a band, which can be formed into a ring and fixed, so that even after installation of the pipe, a seal can be attached.
In steep collector position, it is also used to fix the vacuum tube in addition, for example, analogous to the collector tube.
Fig. 5 shows schematically an absorber tube 29 with Absorber- 30 and Abstandhaltefinne 30. The fin allows a very sag bending form of a thinner tube and at the same time forms a large surface area to catch light. At the beginning of the pipe 31, the fins may be discontinued for assembly.
Fig. 6 shows schematically a group of collectors on post poles 32 with hinged or tilted joints in the transition to the collector for the seasonal orientation to the sun, for maintaining the focus distance to the lens. The stand can be equipped with another pivot, not shown, to tilt individual panels towards the floor, for easy maintenance and installation.
The seasonal movements can be carried out manually or by means of an engine, the daytime should be automated.