CH705565A2 - Dynamischer Solar-Energie-Konverter für isothermale und andere Wärmekraftmaschinen und Wärmeverwerter. - Google Patents

Dynamischer Solar-Energie-Konverter für isothermale und andere Wärmekraftmaschinen und Wärmeverwerter. Download PDF

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Abstract

Der Dynamische Solar-Energie Konverter, bewirkt eine höchsttemperaturige Konvertierung der von einem Solar-Teller-Kollektor 4 konzentrierter Sonnenstrahlen-Energie 17 in der, von seinem Rotor 16 förderndem fluiden Wärmeträger 19 transportierter Wärme und umfasst; a) ein Gehäuse 20, b) mindestens einen Auslass 21, von welchem mit Hilfe eines Leitungssystems der im Konverter erwärmte fluide Wärmeträger 19 zu mindestens einem Wärmeverbraucher, z.B. NSC-Motor, transportiert wird, c) einen Gehäusedeckel 22 mit an ihm sich befindendem Einlass 23, durch welchen fluide Wärmeträger 18 von aussen in den Konverter einströmt und auch die vom Solar-Teller-Kollektor konzentrierten Sonnenstrahlen 17 in den Konverter hinein reflektiert werden und d) einen im Gehäuse 20 installierten Zentrifugal-Ventilator-Rotor 16, auf welchen der Spot S der konzentrierten Sonnenstrahlenenergie 17 gerichtet ist und welcher mit der Rotor-Welle 24 und Rotor-Lager 25 vom Rotor-Antrieb 15 angetrieben ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Dynamischen Solar-Energie-Konverter gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Ein Energie-Konverter ist ein Wandler für Energie [WIKIPEDIA, 2011]. Ein Dynamischer Solar-Energie-Konverter konvertiert (umwandelt) dynamisch die empfangene Wärme der sichtbaren Sonnenstrahlung zu einem fluiden Wärmeträger.
[0003] Die gesamte Licht-Strahlungsleistung der Sonne auf der Erdoberfläche, ausgedruckt mit dem Mittelwert der Solar-Konstante ist festgelegt auf EoErde ≈ 1367 W/m<2>(der Erde erreichender Teil der Licht-Strahlungsleistung von 167 PW (= 167*10<15> W), ist am Erdboden etwas geringer als ausserhalb der Atmosphäre und, ist ausserdem vom Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung abhängig [WIKIPEDIA, 2011]).
[0004] Durch die Konzentrierung mit z.B. einem Solar-Kollektor kann bei gleichbleibender Sonnen-Strahlungsleistung (welche nur von primär bestrahlter Kollektor-Fläche abhängig ist) die Temperatur der sekundärer, bestrahlter Fläche (genannt Spot) entsprechend dem Solar-Kollektor-Konzentrationsverhältnis C erhöht werden und zu diversen Zwecken, z.B. zum Antrieb der Wärmekraft-Maschinen, zur Warmwasser/ Dampf-Produktion oder als Prozesswärme für diversen Technologien verwendet werden. Diese Konzentrierung der Sonnenstrahlung zu einem Spot wird mit diversen Apparaturen (genannt Kollektoren) so ausgeführt, dass ihre Art und die Masse (die freie Öffnung der Kollektoren nennt man Apertur); den benötigten Heiz-Leistungen, den benötigten Heiz-Temperaturen und den Massen der Absorber (auf welchen Spot gerichtet wird) entsprechen.
[0005] Dafür werden die auf Optischer Spiegelung z.B. die als Paraboloiden gestalteten «Solar-Teller Kollektoren (Dish)» und die als Parabeltrog gestalteten «Solar-Trog Kollektoren (Trough)» oder die auf Optischen Linsen-Fokusierung basierende «Fresnellinsen» benützt. Die oben genannten, bereits allgemein bekannten Einrichtungen (z.B. als Paraboloiden gestalteten, Solar-Teller Kollektoren), sind so gestaltet, dass das in ihrem Fokus gebildeter, konzentrierter Licht-Spot den zu heizenden Objekt (genannt Absorber oder Receiver, in offener oder geschlossener Ausführung) entsprechend seiner Aufgabe und seinen thermischen Eigenschaften so bestrahlt wird, dass die benötigten Temperaturen dauerhaft erreicht werden können. Die massgebende Solar-Kollektor-Charakteristik bekannt als Solar-Kollektor-Konzentrations-Verhältnis C ist von den Flächen der Apertur (AA, m<2>) und des Absorbers bzw. dem Absorber angepasstem Spot (AS, m<2>) abhängig (C = AA/AS) und kann mit den Solar-Teller Kollektoren in der Praxis ein Wert von; C = ca. 50 bis 8000 erreichen (auch höher, abhängig von technischem Aufwand). Die vom Verhältnis C abhängige Spot-Temperaturen TS der Solar-Teller Kollektoren können in der Praxis bis ca. TS = 4000 °C hoch werden [nach K. Holter: Alternative Energietechniken: WWW].
[0006] In den Solarthermischen Kraftwerken werden, wegen ihrer hoher Effizienz, vermehrt die Solar-Teller Kollektoren (Dish Paraboloiden) mit in ihrem Fokus-Bereich positionierten speziellen, als Absorber wirkenden Receiver der Stirlingmotoren-Generatoren Einheiten verwendet (Stand der Technik, Fig. 1).
[0007] Diese Receiver Ausführungen müssen, aus «spezifischen Gründen der konstruktiver und technologischer Natur dieser Motoren», eine relativ grosse Fläche aufweisen um dann von Spots der Solar-Teller Kollektoren schadenfrei erwärmt werden zu können, wodurch deswegen relativ tiefen Spot-Temperaturen angewendet werden müssen.
[0008] Die aktuell gebauten Solar-Teller Kollektoren mit den Stirlingmotoren-Generator Einheiten erreichen mit der (durch die bisherige Erfahrung ermittelte) Grösse der Apertur der Teller von 5 m bis max. ca. 10 m und mit C = ca. 1000 die Leistungen die fast ausnahmslos ca. 25 kW/Kollektor hoch sind und dabei die Spot-Temperaturen die selten über ca. TS = 400 °C hoch sind [z.B. Anlage Maricopa/ SES/ Peoria, Arizona, USA 2010/60 Einheiten à 25 kW/ Kollektor = 1.5 MW]
[0009] Die Vorteile solcher, oben beschriebenen Anlagen sind: A) sehr hohe Effizienz ihrer Solar-Teller Kollektoren (abhängig von technischem Aufwand), B) sehr hohe Effizienz ihrer Stirlingmotoren-Generator Einheiten (abhängig von erzielten Spot-Temperaturen), C) relativ niedrige Herstellungskosten wegen modularer Aufbau der Anlagen (Konfiguration 1 Kollektor + 1 Motor).
[0010] Die Nachteile solcher, oben beschriebenen Anlagen sind: D) die Flächen-Ausdehnungen solcher, Leistungsstärkeren Anlagen sind, wegen relativ kleinen Leistungen der einzelnen Einheiten (25kW/Kollektor) entsprechend gross, E) die Investitionskosten solcher Anlagen sind, trotzt modularer Aufbau (Repeat) entsprechend hoch, dies weil ein Kollektor nur eine Stirlingmotor-Generator Einheit mit der Wärme versorgt (Konfiguration 1+1), F) die relativ niedrige zulässige Spot-Temperaturen solcher Anlagen (Bereich um ca. TS = 400°C) resultieren (wegen oben erwähnten «spezifischen Gründen der konstruktiver und technologischer Natur der Stirlingmotoren») in schwerwiegend er Reduzierung der Effizienz der Stirlingmotoren-Generator Einheiten.
[0011] Der Erfindung des Dynamischen Solar-Energie-Konverter für Isothermalen und anderen Wärmekraftmaschinen und Wärmeverwerter liegt die Aufgabe zugrunde; a) eine Optimalisierung der stromerzeugenden/ und anderen Solar-Teller Kollektoren Anlagen durch massgebende Reduktion ihrer Flächen-Ausdehnung und Reduktion der Investitionskosten gegenüber allen anderen aktuellen stromerzeugenden Solar-Teller Kollektoren Anlagen mit Stirlingmotoren-Generatoren Einheiten, was; a1) durch ihre Ausrüstung mit Dynamischen Solar-Energie-Konverter und a2) durch deswegen möglicher nicht Befolgung der Konfiguration 1+1 erzielt wird, b) eine bedeutende Erhöhung der Effizienz solcher Solaren Teller-Kollektoren Anlagen ausgerüstet mit Dynamischen Solar-Energie-Konverter gegenüber allen anderen aktuellen stromerzeugenden Solaren Teller-Kollektoren ausgerüstet mit Stirlingmotoren-Generator Einheiten, welche; b1) durch die Möglichkeit bedeutender Erhöhung der Spot-Temperaturen (Bereich ca. TS = 1300°K oder höher), und b2) durch die Möglichkeit entsprechender Verwertung der energetisch hochwertiger, hochtemperaturiger Energie, welche mit den NSC-Motoren erzielt wird.
[0012] Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäss mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst (und wurde bereits mit einem experimentellen Prototyp bestätigt).
[0013] Eine generelle Darstellung einer solcher Solarthermischer Anlage bestehend; aus Paraboloiden Solar-Teller Kollektoren mit in ihren Fokus-Bereich positionierten und als Absorber wirkenden, Dynamischen Solar-Energie-Konverter und mit dem NSC-Motor als Verwerter der konvertierter Solar-Energie, ist in der Fig. 2 gezeigt.
[0014] Die Vorteile dieser als Dynamischer Solar-Energie-Konverter für Isothermalen und anderen Wärmekraftmaschinen und Wärmeverwerter genannter Erfindung sind in Wesentlichem gekennzeichnet und erzielbar; 1) durch die Trennung der im Spot der Solar-Teller Konverter platzierten Absorber (Receiver) der Energieverwerter vom Solar-Teller Konverter, 2) durch die Installation von Dynamischen Solar-Energie-Konverter in Spot Bereich der Solar-Teller Konverter, und 3) durch die optimale Verwertung der vom Dynamischen Solar-Energie-Konverter umgewandelte und an einen fluiden Träger übertragene Wärme (z.B. Luft) mit z.B. einem NSC-Motor (oder beispielsweise zum Antrieb anderer Wärmekraft-Maschinen, zur Warmwasser/ Dampf-Produktion, oder als Prozesswärme für diverse Technologien).
[0015] In den abhängigen Ansprüchen sind Ausgestaltungen der Erfindung Dynamischer Solar-Energie-Konverter für Isothermalen und anderen Wärmekraftmaschinen und Wärmeverwerter angegeben. Die Erfindung wird anhand von in den beiliegenden schematisch dargestellten Informations- und Ausführungs-Beispielen näher erläutert. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>Eine schematische Darstellung eines Solar-Thermischen Kraftwerkes gebildet aus Solar-Teller Kollektoren (Dish Paraboloiden) mit in ihrem Fokus-Bereich positionierten Receiver der Stirlingmotoren-Generatoren Einheiten (Ansicht), <tb>Fig. 2<sep>Eine schematische Darstellung eines Solar-Thermischen Kraftwerkes gebildet aus Solar-Teller Kollektoren (Dish Paraboloiden) mit in ihrem Fokus-Bereich positionierten, als Absorber wirkenden, Dynamischen Solar-Energie-Konverter und einem NSC-Motor, als Verwerter der an einen fluiden Wärmeträger konvertierter Solar-Energie (Ansicht), <tb>Fig. 3<sep>Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Dynamischen Solar-Energie-Konverter (in einem Längsschnitt), <tb>Fig. 4<sep>Detail-Beispiel einer Ausführung eines erfindungsgemässen Dynamischen Solar-Energie-Konverter (in einem Draufsicht-Schnitt).
[0016] Die schematische Darstellung Fig. 1, zeigt als Stand der Technik (WIKIPEDIA 2011) die Ansicht eines konventionellen Solar-Thermischen Kraftwerkes mit Stirlingmotoren-Generatoren Einheiten in welchem das von der Sonne 1 eintreffendes Licht 2 auf die als Apertur bezeichnete Fläche der auf ihren Ständer 3 stehenden Paraboloiden Solar-Teller (Dish) Kollektoren 4 mit in ihrem Fokus-Bereich von Haltern 5 gehaltenen und richtig positionierten, als Absorber wirkenden Receiver der Stirlingmotor-Generator Einheiten 6 einfällt, und wobei die von der Sonne 1 eintreffende und zum Spot S fokussierte Licht-Strahlungsleistung 17 (mit der zu Konzentrations-Verhältnis C entsprechender Temperatur) als Wärme vorerst mit Hilfe der Stirlingmotoren in die Arbeit und zuletzt (mit dem Generator) in elektrischer Strom umgewandelt wird und via Strom-Leitungen 7 zu einzelnen Strom-Transformatoren 8 und weiter 12 ins Elektrischer Stromnetz 10 abgeliefert wird.
[0017] Die schematische Darstellung Fig. 2, zeigt die Ansicht eines erfindungsgemässen Solar-Thermischen Kraftwerkes mit Dynamischen Solar-Energie-Konverter 11 und einem NSC-Motor 13, in welchem das von der Sonne 1 eintreffendes Licht 2 auf die als Apertur bezeichnete Fläche der auf ihren Füssen 3 stehenden Paraboloiden Solar-Teller (Dish) Kollektoren 4 mit in ihrem Fokus-Bereich von Haltern 5 gehaltenen und richtig im Spot S Bereich des Solar-Teller Kollektor 4 positionierten und hier nicht sichtbaren, durch die Rotor-Antriebe 15 angetriebener Rotoren 16 der Dynamischen Solar-Energie-Konverter 11 einfällt, wodurch eine sehr intensive, dynamisch erfolgte Umwandlung/ Übertragung der von der Sonne 1 eintreffende und zum Spot fokussierte Licht-Strahlung-Energie 17 (mit der Konzentrations-Verhältnis C entsprechender Temperatur) vom Rotor 16 des Dynamischen Solar-Energie-Konverter 11 aufgenommen und zum fluiden Wärmeträger 13 (z.B. Luft) übertragen (konvertiert) wird, wobei danach, dieser im Dynamischen Solar-Energie-Konverter 11 erhitzte und weiter beförderte fluide Wärmeträger 19, jeweils durch die Leitungen der Fluiden Wärmeträger 12 gesammelt und zu mindestens einem Wärmeverbraucher z.B. einer NSC-Motor-Generator Einheit 13 geführt werden und dass die vom NSC-Motor 13 erzeugte Arbeit vorerst in elektrischer Strom umgewandelt und via Strom-Leitung zum Strom-Transformator 14 und weiter ins Elektrischer Stromnetz 10 abgeliefert wird.
[0018] In schematischer Darstellung Fig. 3ist in einem Längsschnitt der erfindungsgemässen Dynamischen Solar-Energie-Konverter 11 gezeigt, welcher aus einem hochtemperaturbeständigem Gehäuse 20 mit einem Auslass 21 für den im Konverter 11 erhitzten fluiden Wärmeträger 19 und einem Hochtemperatur beständigem Gehäuse-Deckel 22 mit einem Einlass 23 für den aus der Umgebung mit Umgebungstemperatur einströmenden fluiden Wärmeträger (Luft) 18 besteht. Durch den Einlass 23 wird auch die von Paraboloiden Solar-Teller (Dish) Kollektor 4 konzentrierte Licht-Strahlung-Energie 17 hinein reflektiert, weiche dann im Fokus F an von Haltern 5 • gehaltenen und im Spot S Bereich positioniertem und durch Antrieb 15 angetriebenen Hochtemperatur beständigem Zentrifugal-Ventilator-Rotor 16 fokussiert wird, wobei durch die Abweichung AF von der Fokuslänge F die benötigte Temperatur des Spots S erreicht werden kann und wodurch der Rotor 16 zu einer Tempera Lux (entsprechend dem Solar-Kollektor-Konzentrations-Verhältnis C und AF) aufwärmt wird. Durch die erzwungene Konvention, in Folge der Rotor-Förder-Wirkung, wird die vorn Rotor 16 absorbierte Wärme sehr intensiv an fluiden Wärmeträger (z.B. Luft) 18 abgegeben, wodurch die dynamische Konvertierung (Umwandlung) der Licht-Strahlungsleistung der Sonne in die von einem fluiden Wärmeträger absorbierte Wärme vollgezogen wird. Der erhitzte, fluiden Wärmeträger 18 wird anschliessend zum Gehäuse-Auslass 19, dann zum Leitungssystem des fluiden Wärmeträger 12 und zuletzt z.B. zum MSC-Motor 13 weiterbefördert. Der Hochtemperaturbeständige Zentrifugal-Ventilator-Rotor 16, mit für die optimale erzwungene Konvektion und bei entsprechend der Spot-Temperatur benötigter Anzahl Schaufeln soll in optimaler Ausführung, zur Förderung des fluiden Wärmeträgers, gestaltet und dabei entweder nur einseitig (wie in der Fig. 3gezeigt) oder beidseitig beschaufelt werden, wodurch, in diesem Fall eine durchaus nützliche (hier nicht näher beschriebene) Frischluft-Kühlung des Antriebs, bestehenden aus einem Rotor-Antriebsmotor 15 (der beliebiger Art), der Antriebswelle 24 und des Lager 25 des Rotors 16 bewirkt wird.
[0019] In schematischer Darstellung Fig. 4ist in einem Draufsicht-Schnitt oberhalb des Rotors sind die Schaufeln des Rotors (gestrichen) des Dynamischen Solar-Energie-Konverter gezeigt.

Claims (5)

1. Dynamischer Solar-Energie-Konverter 11 zum Durchführen einer intensiver, dynamischer, höchst temperaturiger Umwandlung/ Übertragung (Konvertierung) der vom Spot S abgegebener Wärme der Sonnenstrahlung 17, fokussiert durch einen Solar-Teller Kollektor 4 an als Absorber wirkender, rotierender Zentrifugal-Ventilator-Rotor 16, welche Wärme danach vom Rotor 16 selbst an vom Rotor 16 beförderndem fluiden Wärmeträger 18, vor allem durch die erzwungene Konvektion abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die an Solar-Teller Kollektor 4 eingefallene Sonnenstrahlung 2 weiter als konzentrierte Sonnenstrahlung 17 mit möglichst hohem Solar-Kollektor-Konzentrations-Verhältnis C und dabei zum Fokus (F, AF) mit dem Spot S so konzentriert wird, dass die dadurch erreichte Spot-Temperatur in gewünschten grenzen liegt und dass dabei der von einem Rotor-Antrieb 15 angetriebener und als Zentrifugal-Ventilator fördernder, Rotor 16 die vom Spot S erhaltene Wärme, durch erzwungene Konvektion an von ihm befördernden fluiden Wärmeträger 18 abgibt, wodurch zuletzt der als Zentrifugal-Ventilator wirkender Rotor 16 eine Förderung und Erhitzung des durch den Einlass 23 in Gehäuse 20 eintretenden fluiden Wärmeträgers (z.B. Luft) 18 und damit die Konvertierung der Sonnenenergie zur Wärme bewirkt und dann weiter, diesen erwärmten fluiden Wärmeträger 18 zum Auslass 21 fördert und danach als erhitzte fluide Wärmeträger 19 aus dem Dynamischer Solar-Energie-Konverter 11 liefert, welcher dann über Leitungssystem für fluiden Wärmeträger 12 zusammengeführt wird und als Wärmespender zur Benützung (Antrieb) von z.B. mindestens einem NSC-Motor 13 oder anderen Wärmeverbraucher benützt wird. Dabei ist plausibel, dass ganzes Dynamischer Solar-Energie-Konverter 11 als auch alle Leitungen der fluiden Wärmeträger 12 von aussen wärmeisoliert sein können.
2. Dynamischer Solar-Energie-Konverter 11 nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Zentrifugal-Ventilator wirkender Rotor 16 eine möglichst optimale Ausführung von vielen möglichen Rotor-Ausführungen solcher Zentrifugal-Ventilatoren hat (die Form der Schaufeln, die Anzahl der Schaufeln und die Beschaffenheit der Schaufeln).
3. Dynamischer Solar-Energie-Konverter 11 nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der als Zentrifugal-Ventilator wirkender Rotor 15 beidseitig beschaufelt ist; und zwar mit einem Einlass 23 von unten (wie in Fig. 3gezeigt), für den fluiden Wärmeträger (z.B. Umgebungs-Frischluft) 18 und mit einem zusätzlichen Einlass von oben (auch Umgebungs-Frischluft), wobei die Aufteilung der einströmenden fluiden Wärmeträger-Ströme eine Frage der Optimierung ist und wodurch einerseits eine sehr nützliche Frischluft-Kühlung des Rotor-Antriebs (15, 24 und 25) als auch in gleichem Zuge eine bedeutende, zusätzliche Reduktion der Wärmeverluste des Konverters 11 erzielt wird.
4. Dynamischer Solar-Energie-Konverter 11 nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine Wiederverwendung des in Rezirkulation (durch Einlass 23) des von z.B. einem NSC-Motor nach der Expansion ausgepufften und noch immer warmen fluiden Wärmeträger (z.B. Luft) erfolgt, wodurch eine Reihe von Vorteilen erzielt werden können, wie z. B.; Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades des Dynamischen Solar-Energie-Konverters, Erhöhung seiner Kapazität, Verminderung der Verschmutzung des fluiden Wärmeträger-Systems usw.
5. Dynamischer Solar-Energie-Konverter 11 nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass Rotor Antrieb 1:) mit einem Antriebs-Motor beliebiger Art., z.B. einem Elektromotor oder einem Luftmotor erzielt wird. Dabei ist plausibel, dass die Wärmeflüsse vorn Rotor 16 und von Gehäuse 20 zum Rotor-Antrieb 15 durch entsprechenden Massnahmen unterbunden werden können.
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