DE10011052A1 - Hochdruck-, Hochtemperatur - Sonnenkollektor - Google Patents
Hochdruck-, Hochtemperatur - SonnenkollektorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einer parabelförmigen verspiegelten Rinne (7), in deren Brennlinie (F) eine ein Medium führende Leitung (8) verläuft. DOLLAR A Ein solcher Sonnenkollektor soll derart weitergeleitet werden, daß auch im Kleinstbereich sehr hohe Temperaturen bei einem akzeptablen Wirkungsgrad erzielt werden. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, daß die parabelförmige Rinne (7) einen Verlauf aufweist, der die Fläche eines Formstücks (17) ausfüllt, daß das Formstück (17) von einer lichtdurchlässigen Platte (12) abgedeckt ist, wobei die Flanken der Parabelform die Brennlinie (F) derart überragen, daß die ein Medium führende Leitung (8) mit überdeckt wird und dabei die Flanken der Rinne (7) die lichtdurchlässige Platte (12) stützen, daß der Hohlraum (13) zwischen der lichtdurchlässigen Platte (12) und dem Formstück (17) evakuiert ist und daß die ein Medium führende Leitung (8) eine dünne Hochdruckleitung ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einer parabelförmigen verspiegelten
Rinne, in deren Brennlinie eine ein Medium führende Leitung verläuft.
Auf dem Markt sind grundsätzlich zwei verschiedene Systeme von Kollektoren zu
finden: Flachkollektoren und Vakuumröhren. Auf die verschiedenen Varianten der
Flachkollektoren soll hier nicht eingegangen werden, da diese vom Prinzip alle ähnlich
sind, auch wenn sie in der Konstruktion und dem erreichten Wirkungsgrad stark
differieren.
Beide Systeme erreichen in ihren besten Ausführungen hohe Wirkungsgrade. Hier eine
technische Verbesserung zu erzielen, kann sich hauptsächlich auf die fertigungstech
nische Produktion und den damit verbundenen Preisvorteilen beziehen. Die Arbeitstem
peraturbereiche liegen in der Regel bei Flachkollektoren bei ca. 70°C, Vakuumröhren
erreichen theoretisch 120°C. Beide Systeme entsprechen damit dem Bedarf für
Heizungsanlagen und Brauchwasser. Zur Prozeßdampferzeugung können diese
Techniken allerdings ebensowenig wie zur Kälteerzeugung eingesetzt werden. Beide
Systeme beruhen auf dem Prinzip der Wärmesammlung (= Kollektor) und können als
passives Prinzip bezeichnet werden. Allenfalls Vakuumröhren mit einem Reflektor,
sogenannte CPC-Systeme (Combo und Parabolic Concentrator) haben einen Verstär
kungsfaktor der direkten Sonnenstrahlung von C = 3.
Die klassische Bauweise, schwarzes Blech mit dahinter liegender Rohrschlange, ist für
den Hochtemperaturbereich völlig ungeeignet. Zum einen würden die Rückstrahl
verluste enorm ansteigen und zum anderen wären die Wärmeausdehnungen und die
daraus resultierenden Materialspannungen, z. B. für die gelöteten Kontaktflächen, zu
stark. Allerdings ist der einfache Aufbau von Flachkollektoren für eine Installation sehr
gut geeignet und der Herstellungsprozeß läßt akzeptable Preise auf dem Markt zu.
Vakuumröhren können zwar bis 120°C erreichen, mit steigender Temperatur sinkt aber
der Wirkungsgrad stark ab und selbst CPC-Systeme sind für einen Hochtemperatur
bereich ungeeignet.
Zur Erzeugung von hohen Temperaturen werden bis dato nur Spiegelreflektoren einge
setzt. Durch Bündelung, Fokussierung der Sonnenstrahlen mit Hilfe eines Spiegelfeldes
auf einen Punkt, bei diesem Anlagentyp wird von Paraboloid-Technik gesprochen,
erreicht man Temperaturen bis über 1500°C, bei einer Verstärkung von etwa C = 700. In
den Pyrenäen von Südfrankreich ist schon vor Jahrzehnten ein solches SEGS
(SolarEnergyGeneratingSystem) installiert worden. Die modernere Technik neuerer
SEGS beruhen auf parabolförmig gebogenen Reflektoren, in deren Brennlinie eine
Absorberröhre installiert ist. In dieser Röhre wird ein Kreislaufmedium bis auf 400°C
erhitzt. Die Verstärkungsfaktoren liegen mit dieser Technik bei C = 40-80. Jedoch gilt
für diese Technik, daß diese bis dato nur in Großkraftwerkstechnik zur Ausführung
gelangt. Die Problematik der Logistik und den daraus entstehenden Kosten und
Wirkungsgradverlusten bleibt bestehen, so wie man es in der klassischen zentralen
Wärmekraftwerkstechnik kennt. Die eingesetzte Technik der Fokussierung ist gegen
über dem Kollektor ein aktives Prinzip.
Die angewandte Technik der Parabolrinnensysteme, in der Mojave Wüste der USA wird
diese Technik seit Jahren mit Erfolg eingesetzt, ist die z. Zt. modernste und effektivste
Art, auch hinsichtlich der Investitionskosten, Sonnenenergie in Strom zu verwandeln.
Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 30%. Die Effektivität dieser Technik wird durch die
Systemtechnik bedingt und hat folgenden Hintergrund: Das Trägermedium im Absor
berrohr ist Thermoöl und kann bis max, ca. 400°C erhitzt werden. Könnte man ein
Trägermedium mit höherer Temperatur beaufschlagen, verbessert sich der Wirkungs
grad. Wasser als Energieträger zu verwenden wäre die technisch optimale Lösung, stellt
aber ein nicht zu unterschätzendes Problem dar: Die Fokussierung und damit die
Energiedichte ist so hoch, daß Wasser an der Innenwand des Absorberrohres spontan
verdampft. Diese spontane Verdampfung hat folgende bekannte Problematik: Die soge
nannten Dampfschläge erzeugen eine kurzfristig hohe dynamische Druckbeanspruchung
des Rohres und mindern den Wärmeübergang entsprechend der Häufigkeit ihres
Entstehens. Ist eine Temperatur im Verlauf des Rohres erreicht, bei der das Kreislauf
medium in den Bereich seines Dampfdruckpunktes gelangt, nimmt dieser Effekt der
spontanen Verdampfung sehr stark zu. Dies kann bis zum Bersten des Absorberrohres
führen, oder zumindest den Wärmeübergang so stark minimieren, daß durch den entste
henden Wasserdampf ein sehr schlechter Wärmeübergang stattfindet und das Medium
sich selbst isoliert. Der Einsatz von Thermoöl hat außerdem einen entscheidenden
Nachteil gegenüber der Direktverdampfung: Eine Leckage im Rohrleitungssystem ist
immer mit einer zwangsweisen Umweltbelastung und hohen Instandhaltungskosten
verbunden.
Parabolrinnensysteme, wie das der eingangs genannten Art, wurden bisher derart ausge
bildet, daß entweder entsprechend viele oder entsprechend lange Rinnen aufgestellt
wurden, in deren Brennlinie die Leitung für das Medium als eine dicke Absorbierleitung
angeordnet ist, die zum Schutz wiederum von Glasröhrchen umgeben ist. Ein solches
Parabolrinnensystem ist vom apparativen Aufbau sehr aufwendig und benötigt viel
Platz. Es ist daher eher als Großanlage brauchbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor der eingangs
genannten Art verfügbar zu machen, der auch im Kleinstbereich sehr hohe Tempera
turen bei einem akzeptablen Wirkungsgrad erzielt und damit für alle energetischen
Prozesse als Energielieferant dienen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die parabelförmige Rinne einen
Verlauf aufweist, der die Fläche eines Formstücks ausfüllt, daß das Formstück von einer
lichtdurchlässigen Platte abgedeckt ist, wobei die Flanken der Parabelform die
Brennlinie derart überragen, daß die ein Medium führende Leitung mit überdeckt wird
und dabei die Flanken der Rinne die lichtdurchlässige Platte stützen, daß der Hohlraum
zwischen der lichtdurchlässigen Platte und dem Formstück evakuiert ist und daß die ein
Medium führende Leitung eine dünne Hochdruckleitung ist.
Bei der Erfindung handelt es sich somit um einen speziellen Hochdruck-, Hochtem
peratur -Sonnenkollektor. Es handelt sich um die Verbindung der Bauweise eines
klassischen Flachkollektors und des Prinzips der Parabolrinnentechnik, wobei eine
sinnvolle Kombination von Kollektor (= Sammlung) und Fokussierung (= Spiegel)
erzielt wird. Mit der hier aufgezeigten Konstruktion ist eine Lösung gefunden, die den
Grundstock für Kleinkraftwerke liefert und zum universellen Einsatz geeignet ist. Die
Funktion eines solchen Kollektors ist die eines Verdampfers in einem übergeordneten
Gesamtsystem.
Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteran
sprüchen zu entnehmen.
Eine Medium führende Leitung muß im Brennpunkt einer parabolförmigen Rinne,
welche in ihrer Innenseite verspiegelt ist, verlaufen. Dabei dient die Rinne als Fokus,
was dem aktiven Prinzip- und die Hochdruckleitung als Sammler, was dem passivem
Prinzip entsprechen würde. Je größer die Öffnungsweite dieser Rinne gegenüber der
Oberfläche der Absorberleitung ist, je stärker ist die Fokussierung und der daraus zu
erzielende Wirkungsgrad. Das Kreislaufmedium, welches durch die Leitung gepumpt
wird, sammelt im Verlauf durch die Parabolrinne die gebündelte direkte Sonnenstrah
lung ein, was sich in einer immer mehr ansteigenden Temperatur niederschlägt, damit
sind sehr hohe Temperaturen zu erreichen, wie die schon laufenden SEGS zeigen. Diese
Technik scheint z. Zt. die sinnvollste Lösung zu sein, solare Energie in eine anwendbare
Energieform zu wandeln. Jedoch in der technischen Ausführung lediglich in offener
Bauweise eingesetzt und gegenüber Flachkollektoren unhandlich und im apparativen
Aufbau sehr aufwendig. Die Anwendung mit Wasserdampf ist, wie oben beschrieben,
technisch noch nicht gelöst.
Die technische Lösung kann nun auch in folgender Weise umgesetzt werden: Die Rinne
wird nicht aus einzelnen Reflektoren in einer langen Linie aufgebaut, sondern als mäan
derförmig verlaufende Rinne in ein einziges Formstück gearbeitet. Die Flanken der
Parabelform überragen dabei die Brennlinie, so daß, legt man eine lichtdurchlässige
Platte über diese Parabolrinnenform, der Absorber mit überdeckt wird. Der Verlauf der
Rinne erstreckt sich über die ganze Fläche des Formstückes. Es entsteht sozusagen ein
Parabolrinnenkollektor in einem Stück. In der Brennlinie verläuft nicht eine dicke
Absorberleitung die von Glasröhren umgeben ist, sondern eine dünne Hochdrucklei
tung. Der durch die Schutzscheibe entstandene Hohlraum der Rinne wird zur Isolierung
evakuiert. Dabei stützen die Flanken des Rinnensystems die Schutzscheibe, so daß diese
den auftretenden Kräften standhält.
Wie stark sollte nun die Fokussierung sein?
In der Verfahrenstechnik wird mit einer Flächenleistung bei Wärmetauschern, z. B. bei
Thermalölanlagen mittels Elektroheizstäben, aber auch bei klassischen Batchdestilla
tionsanlagen, zwischen 1-3 Watt je cm2 gerechnet. Die Sonne besitzt eine Flächen
leistung von max. 0,13 Watt je cm2. Es würde also genügen, wenn man den direkten
Vergleich heranzieht, den Fokussierfaktor zwischen 10 und 30 zu legen. Zum
Vergleich, der Verstärkungsfaktor bei laufenden SEGS liegt zwischen 30 und 40. Die
Hochdruckleitung muß dem Verlauf der Parabolrinne folgen. Aus diesem Grund kann
nur eine dünne Leitung, die relativ leicht zu biegen ist, in Frage kommen. Wird z. B.
eine Leitung von 5 mm Außendurchmesser benutzt, so ist die Öffnungsweite der
Parabolrinne minimal 157 mm. Mit Blickpunkt auf den Isolator Vakuum ist dies eine
Spannweite, welche von Flachglas durchaus zu beherrschen ist. Als Vergleich: absolut
plane Bildschirme haben eine wesentlich größere Diagonale und halten den daraus
resultierenden statischen Beanspruchungen stand.
Dies ist nun die skizzierte Lösung: Aufbau eines Parabolrinnensystems mit relativ
geringer Öffnungsweite und innenliegender Brennlinie dessen Oberfläche zu einem
Reflektor veredelt ist, abgedeckt mit einer Glasscheibe. In der Brennlinie liegt eine
dünne Hochdruckleitung als Absorber. Es gibt nur eine durchgehende Druckleitung mit
Vorlauf und Rücklauf als Anschlußpunkte. Das Parabolrinnensystem besteht aus einem
einzigen Formstück. Der gesamte Kollektor ist zur Isolierung evakuiert.
Die Vorteile eines solchen Kollektors, ein einfacher Kollektor ist es ja nicht und soll
deshalb Parabolrinnenkollektor kurz PRK, genannt werden, liegen auf der Hand. Eine
gute Fokussierung ist bei kleinen Abmessungen mit Präzision herzustellen. Die
geschlossene Bauweise schützt den gesamten Aufbau, vor allem auch die Spiegelober
fläche.
Der wichtigste Punkt ist bei dem gesamten System die Hochdruckleitung. In einer
dünnen Hochdruckleitung kann wesentlich schlechter eine Isolierschicht aus Dampf
entstehen, da die räumlichen Abmessungen dies nicht zulassen. Das Verhältnis der
Oberfläche, Innenseite der Hochdruckleitung, zum Volumen des zu erhitzenden Kreis
laufmediums ist so groß, daß die Energieübertragung immer ausreichend gewährleistet
ist. Wenn der Dampfdruckpunkt im Verlauf des Rohres erreicht ist, wird mit größter
Wahrscheinlichkeit das Kreislaufmedium in einem sehr kurzen Rohrabschnitt komplett
verdampfen. Die dabei entstehenden Druckbeanspruchungen sind mit kleinen Durch
messern wesentlich einfacher zu handhaben, als mit größeren. Wird das Kreislauf
medium, z. B. Wasser, über seinen spezifischen kritischen Punkt, < 220 bar, betrieben, so
wird dieses bei der Phasenwandlung, nur um einen Faktor von ca. 1,5 höhere
Durchflußgeschwindigkeit haben, bei konstantem Druck. Durch diese Technik kann das
Heißgas auch einfachst überhitzt werden, ohne daß ein Gemisch aus Flüssigphase und
Gasphase eine Problembildung ergeben würde. Ein weiterer Vorteil ist die
Carbonisierung. Auf Grund des hohen Druckes wird die dünne Hochdruckleitung nicht
verkalken, man könnte also Frischwasser direkt einspeisen, ähnlich wie bei Hoch
druckreinigern.
Die Vorteile nochmals kurz als Steckbrief:
- - Kompakt im Aufbau;
- - Geschlossene Bauweise;
- - geeignet als Direktverdampfer;
Ein solcher PRK kann nun die Ausgangssituation für ein Kleinkraftwerk sein. Ob zur
einfachen Dampferzeugung, oder Stromerzeugung oder für ein Kältesystem, die
Grundlage ist jetzt geschaffen, um im Kleinstbereich bis zu größeren Konzepten eine
technische Lösung, ohne in den Großkraftwerksbau hinein gehen zu müssen, anbieten
zu können.
Der Aufbau eines solchen Kollektors bringt verschiedene technische Aufgabenstellun
gen mit sich. Diese werden im folgenden näher beschrieben und es wird gezeigt wie
diese technisch umzusetzen sind. Es werden dabei technische Randbedingungen und
Komponenten, welche für ein funktionstüchtiges System notwendig sind, nicht ausführ
lich beschrieben. Die hauptsächlichste Innovation ist mit dem obigen Teil schon
beschrieben, jedoch ist eine technische Umsetzung und Anwendung ja unumgänglich.
Die Parabolform besteht, wie beschrieben aus einem Stück. Es kann die Parabolrinne,
z. B. durch Tiefziehen eines Bleches hergestellt werden. Dabei spielt der Verlauf der
Rinne eine untergeordnete Rolle. Die Größe des Kollektors hängt einzig und allein von
den technischen Möglichkeiten des Herstellungsprozesses ab, diese sind im besonderen
Blechgröße, Glasplatte und Form des Werkzeuges. Die Rinne kann so ausgebildet
werden, daß diese in parallel nebeneinander liegenden Geraden verlaufen, die durch
halbkreisförmige Bögen von einer Geraden zur nächsten Geraden in abwechselnder
Folge verbunden sind (Mäanderform). Diese Variante ist im Anhang in der Zeichnung
beispielhaft dargestellt. Es ist aber auch die Variante denkbar, daß die Rinne wie in
einer Schneckenform ausgebildet wird. Der Vorlauf der Druckleitung müßte dann in der
Mitte sein, da die Wärmeausdehnung hier am geringsten ist. Denn je größer der Radius
der Schnecke ist, je mehr kann die Druckleitung die größere Leitungslänge durch
Wärmeausdehnung kompensieren.
Diesen Kollektor sinnvoll zu isolieren kann nur mit einem Hochvakuum erreicht
werden. Dabei muß die Schutzscheibe den auftretenden Kräften standhalten können. Es
gilt einen Kompromiß zwischen minimaler Stärke, wegen den Verlusten und dem
Gewicht, und der Belastung durch das Vakuum und der dadurch begrenzten Öffnungs
weite der Rinne zu finden. Wünschenswert wäre, wenn es gelänge eine Spannweite von
30 cm zu erreichen. Die Wärmestrahlen möglichst verlustfrei, von der Sonnenseite aus
betrachtet, durchzulassen aber in die umgekehrte Richtung möglichst viel Energie
zurück zu reflektieren, um die Verluste so klein wie möglich zu halten, ist die weitere
Aufgabe der Schutzscheibe
Ein entscheidender Faktor in Bezug auf Langzeitstabilität stellt der Übergang von Glas
auf Metall dar. In der Automobilindustrie hat sich die Klebetechnik etabliert. Dabei hat
es sich gezeigt, daß z. B. die Windschutzscheibe durch die starre Verbindung zum
Metallgehäuse der Karosserie, nicht Schaden erleidet, sondern im Gegenteil dieser zu
mehr Stabilität verhilft. Werden beide Teile der Kontaktfläche zwischen der Parabel
form und der Schutzscheibe mit einem geeigneten Kleber miteinander verbunden, so
kann man sich vorstellen, daß eine sehr stabile Form erreicht wird. Eine mit dem Form
körper verschweißte Wanne verstärkt diesen und bildet den rückwärtigen Schutz der
Parabolform. Die Wanne wird an den Außenkanten komplett dicht geschweißt, zusätz
lich an den Berührungsstellen zwischen Scheitel der Parabolrinnen und Wanne. An
diesem Gehäuse kann nun der Kollektor an Trägersysteme befestigt werden.
30 cm Öffnungsweite entspräche einem Fokusfaktor von ca. 19 bei einer 5 mm Druck
leitung. Der Faktor der Verstärkung muß hinsichtlich zweier Faktoren berücksichtigt
werden. Je höher die Verstärkung je größer der theoretische Wirkungsgrad bei hohen
Temperaturen, jedoch ist die Flächenleistung je cm2 das zu lösende Problem. Ist die
Verstärkung zu groß, kann die Wärmeübertragung technisch nicht mehr einfach gelöst
werden, da der Energieeintrag vom Kreislaufmedium aufgenommen werden muß. Bei
kleinen Rohrdurchmessern ist allerdings dieses Problem als geringfügig zu erachten
(Verhältnis Oberfläche zu Volumen sehr groß).
Will man, bezogen auf Wasser, Endtemperaturen über dem kritischen Punkt erreichen,
so sind Drücke über 220 bar zu beherrschen. Dies macht eine Hochdruckleitung unabdingbar,
stellt aber an sich keine größeren Probleme dar. Mögliche auftretende Dampf
schläge können bei dieser Technik auf Grund der dünnen Leitung als absolut
unproblematisch eingestuft werden. Zum Vergleich, Standart Hochdruckreiniger mit
mittlerer Leistung von bekannten Herstellern werden mit Arbeitsdrücken von 200 bar
ausgeliefert.
Die Hochdruckleitung wird sich durch die Erwärmung entsprechend den Material
konstanten mehr oder weniger ausdehnen. Die Fixierung der Leitung muß dementspre
chend ausgebildet sein. Wird der Vorlauf und der Rücklauf an ihren Durchtrittsstellen
zum Parabolrinnensystem, diese müssen an der gleichen Seite des Rahmens liegen,
befestigt, so muß der Rest der Leitung in gewissen Grenzen frei beweglich fixiert
werden. Mit entsprechenden Abstandshalterungen die eine Klammerung an der
Oberseite haben, kann die Rohrschlange einfach nur eingedrückt werden und ist damit
frei beweglich, aber fest in der Brennlinie fixiert. Die Halterungen sind immer am
Anfang, in der Mitte und Ende jedes geraden Teilstückes anzubringen, mit Außnahme
der Eintrittsstelle am Vorlauf des Kollektors. Hier kann auf eine Halterung verzichtet
werden, da die Leitung mit dem Rahmen direkt verbunden ist. Die Halterungen in der
Mitte der geraden Abschnitte müssen die Druckleitung so fixieren, daß die Längenaus
dehnung in beide Richtungen erfolgen kann. Die Rundbögen werden somit in beiden
Seiten gleich weit aus der Brennlinie verschoben. Dies kann von vornherein durch ver
kürzte Längen kompensiert werden. Die Leitung liegt dann im Arbeitstemperaturbereich
auf ihrer gesamten Länge exakt in der Brennlinie.
Am Rücklauf der Druckleitung muß eine besondere Isolation zum Kollektorrahmen
erfolgen, da hier bei vollem Sonnenschein sehr hohe Temperaturen auftreten. Die
Druckleitung verläuft hier in einem Doppelmantel. Die innere Mantelleitung ist am
Rahmen verschweißt und nach einer gewissen Leitungslänge mit der Druckleitung
verbunden. Über diese erste Mantelleitung wird eine zweite Mantelleitung angebracht,
die als Isolationsleitung zum Verbraucher führt. Diese zweite Leitung wird an der ersten
Mantelleitung durch geeignete Dichtungstechniken, z. B. Schneidringverschraubungen,
möglichst nahe am Kollektoraustritt verbunden. Je länger die Wegstrecke zwischen den
Anschlußpunkten der ersten Isolationsleitung ist, je geringer sind die Verluste.
Da der PRK mit einer Fokussierung arbeitet, muß er zwangsweise der Sonne nach
geführt werden. Dies macht ein Nachführsystem notwendig. Ein Kollektor, welcher der
Sonne nach geführt wird, hat gegenüber einem fest installierten Kollektor eine wesent
lich größere Energieausbeute. Der Faktor, abhängig von der jeweiligen Jahreszeit, ist
z. B. bei einer Bestrahlung von 180° Sonnenkreis, entspricht der Tag- und Nachtgleiche
im März und September, ca. 1,5. Es genügt den Kollektor in nur einer Achse der Sonne
nachzuführen und entsprechend dem Breitengrad des Aufstellungsortes in seiner
Neigung aufzustellen (Breitengrad = Neigungswinkel), da der Unterschied hier nur um
den Faktor 0,95% variiert.
Auf Grund des Rohrdurchmessers wird auch immer ein gewisser Teil der diffusen
Strahlung auf die Hochdruckleitung fokussiert. Mit den Abmessungen in den beigefüg
ten Anlagen wird z. B. ein Einstrahlungswinkel zwischen 2,2° und 25,6° erreicht. Der
Sonnenkollektor wird seine Leistung noch bis zu bestimmten atmosphärischen
Abschattungen aufrecht erhalten und auch bei stärkerer Bewölkung immer eine
minimale Leistung erzielen.
Eine entscheidende Rolle spielt die Verspiegelung. Da der Wirkungsgrad direkt von der
Qualität des Spiegels abhängig ist, ist auf diesen besonderen Wert zu legen. Ober
flächenspiegel haben die besten Reflexionsgrade und erreichen Faktoren von bis zu
95%. Da dieses Gebiet ein eigenständiges komplexes Thema darstellt, soll dieses hier
nicht weiter behandelt werden. Es wird zu entscheiden sein, ob eine polierte Oberfläche,
in diesem Falle nicht rostende Stahlbleche oder Hochglanzaluminium, eine Hartchrom
veredelung oder eine Bedampfung bestimmter Metalle (Oxyde) die optimale Lösung
darstellt. In der Entscheidungsfindung wird die Haltbarkeit der Oberfläche gegenüber
der Strahlungswärme der Druckleitung und die Alterungsbeständigkeit, ebenso wie die
Herstellungskosten mit berücksichtigt werden müssen.
Die günstigste Parabelform für die Parabolrinne hängt von verschiedenen Faktoren ab:
- - Materialeinsatz, es muß die günstigste Form in Bezug auf den geringsten Material einsatz zur Anwendung kommen;
- - Es muß die größte Öffnungsweite die herzustellen ist umgesetzt werden;
- - Die Form muß den entstehenden statischen Beanspruchungen standhalten;
Dabei ist zu beachten, daß je größer die Öffnungsweite der Parabolrinne ist die Schutz
scheibe stärker sein wird, dadurch größeres Gewicht und Verluste hat. Die statischen
Belastungen werden bei einer flachen, gegenüber einer tiefen, Form wesentlich größer
sein, da die auftretenden Kräfte an den Flanken sich gegenseitig aufheben. Nur die
äußeren Flanken müssen diesen Kräften standhalten, können aber von Außen leicht
verstärkt werden, wenn es notwendig sein sollte. Eine Parabelform mit Öffnungsweite
von ca. 300 mm und eine Tiefe von ca. 300 mm würde ein ausreichend gutes Ergebnis
liefern. Hier die optimale Lösung zu finden wird die Praxis zeigen müssen.
Wenn ein Kollektorfeld als größere Einheit zur Stromerzeugung oder Prozeßdampf
erzeugung aufgestellt werden sollte, ist es sinnvoll größere Einzelsysteme einzusetzen.
Die einzelne Kollektorgröße könnte im besten Falle vielleicht 6 × 6 Meter sein, dies
entspräche einer Einzelleistung von etwa 25 KW (70% Wirkungsgrad). Eine Installation
mit 1000 solcher Einheiten hätte eine Gesamtleistung von 25 MW (bezogen auf Prozeß
dampf). Zum Vergleich: In einem der Sonnenkraftwerke in der Mojave-Wüste, wurden
400.000 Reflektoren eingesetzt. Es ist also durchaus denkbar mit dieser Technik in
ähnliche Bereiche zu kommen, mit denen größere Leistungsbereiche ebenfalls abge
deckt werden könnten.
Als Ausgangspunkt könnte ein Edelstahlblech, in das durch Tiefziehen die Parabolrin
nenform eingepreßt wird, dienen. Die Oberfläche könnte durch geeignete Verfahren zu
einem Oberflächenspiegel veredelt werden. Werkzeuge in solchen Dimensionen sind
allerdings sehr aufwendig und deshalb sehr teuer. Aus diesem Grund könnte die
Herstellung der Parabolform und die Verspiegelung auch so gelöst werden, daß das
Formstück aus Halbrohren und Halbschalenbögen (180°) zusammengeschweißt wird
und Parabolrinnenspiegel und Parabolrinnnenbögen in dieses Formstück eingeklebt
werden. Benutzt man Glas als Schutzscheibe, so wird das Gewicht relativ schwer. Das
Problem der auftretenden Kräfte durch das Vakuum kann als gelöst betrachtet werden,
da moderne absolut plane Bildschirmröhren zum Teil Spannweiten von weit über 60 cm
haben. Es ist denkbar, anstelle des Werkstoffes Glas spezielle Oberflächen veredelte
Plexiglasvarianten zu benutzen, oder in Verbundbauweise zu kombinieren. Die Praxis
wird zeigen welche Variante die besten Lösungen bringen.
Eine weitere technische Lösung könnte der Werkstoff Aluminium im Druckgußverfah
ren bieten. Ebenfalls wie mit Stahl könnte eine komplette einzelne Form gegossen
werden. Hier gilt das gleiche wie mit Stahl, Werkzeugstücke in größeren Abmessungen
sind sehr teuer, weshalb eine Möglichkeit darin bestünde Stranggußprofile für die
Geraden Teilstücke zu verwenden und einzelne Halbbögen aus Aludruckguß. Der
komplette Kollektor könnte mit Klebetechnik in beliebiger Größe aufgebaut werden.
Verbundwerkstoffe wie GFK, KFK könnten ebenfalls in Betracht kommen. Jedoch stellt
die Lösung in Glas und Edelstahl oder Aluminium nach Auffassung des Verfassers die
optimale und vor allem in Bezug auf Langlebigkeit wahrscheinlich die beste Lösung
dar.
Die hier vorgestellte Erfindung einer geschlossenen Parabolrinnentechnik hat gegenüber
der bisher zum Einsatz kommenden Technik in offener Bauweise entscheidende
Vorteile.
- - kompakte Bauweise, dadurch einfache Installation;
- - hermetisch geschlossenes Gehäuse, unempfindlich gegenüber Umwelt einflüssen;
- - wenig Arbeitsschritte in der Herstellung, daher gut geeignet für eine Serien produktion;
- - hohe Endtemperaturen, geeignet für alle energetischen Einsatzbereiche;
- - Im Kleinstbereich bis hin zu großen Feldinstallationen umsetzbar;
Die Qualität der technischen Umsetzung kann anhand folgender Parameter beurteilt
werden:
- - Wirkungsgrad;
- - Endtemperatur des Mediums;
- - Langzeitverhalten;
Als Ziel sollten folgende Werte erreicht werden: Der Wirkungsgrad hängt hauptsächlich
von drei Faktoren ab: Transmission der Glasscheibe, Reflexionswert des Spiegels,
Absorbtionswert der Hochdruckleitung; setzt man für alle drei Kenngrößen einen
Maximalwert von 90% als Faktor ein, so käme man auf einen theoretischen Wirkungs
grad von 72%. Dies wäre für die Praxis der maximal zu erreichende Wirkungsgrad.
Allerdings müssen hiervon noch die Rückstrahlverluste abgezogen werden. Diese sind
vom Arbeitspunkt abhängig und können nicht pauschal angegeben werden.
Die Endtemperatur wird zum einen durch die eingesetzten Materialien und zum anderen
durch den Fokusfaktor bestimmt. Setzt man Stahl und Glas ein, so sind der Endtem
peratur weite Grenzen vorgegeben. Temperaturen von weit über 400°C wären denkbar.
Die Fokussierung so groß wie möglich umzusetzen spielt dabei eine ebenfalls entschei
dende Rolle. Die Grenzen werden durch die Schutzscheibe vorgegeben.
In Bezug auf die Investitionskosten müssen solartechnische Produkte, um auf dem
Markt attraktiv zu sein, mit sehr langen Laufzeiten aufwarten können. Edelstahl und
Glas bieten der Umwelt geringste Angriffsmöglichkeiten, so daß bei normalen
Betriebsbedingungen mit einer Lebensdauer von mindestens 25 Jahren ausgegangen
werden kann.
Die Erfindung bezieht sich darauf, wie ein Hochdruck-, Hochtemperatur-Sonnen
kollektor aufzubauen ist und nicht auf die tatsächliche Ausführung in der Anwendung
von verschiedenen Materialien. Wie unter Punkt Material beschrieben, können
verschiedenste technische Lösungsmöglichkeiten zur Anwendung gelangen. Der prinzi
pielle Aufbau ist aber stets gleich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh
rungsbeispiels mit Details erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Gesamtansicht,
Fig. 2 Detail-Halteklammern für Hochdruckleitung,
Fig. 3 Detail-Doppelmantel am Rücklauf,
Fig. 4 Detail-Schnitt quer zur Rinne,
Fig. 5 einen Einstrahlungswinkel minimal und
Fig. 6 einen Einstrahlungswinkel maximal.
Es wird eine im Querschnitt parabolförmige Rinne
7, welche in einem einzigen Formstück in einer
beliebigen Art verläuft, hergestellt.
Dabei liegt die Brennlinie F innerhalb der Rinne
7, nicht außerhalb. Die Innenseite der Parabolrinne
7 muß verspiegelt werden. Eine Hochdrucklei
tung 8 wird in die Parabolrinnenform so eingebaut,
daß diese über den gesamten Verlauf der Parabol
rinne 7 in deren Brennlinie F liegt. Die Hoch
druckleitung 8 wird nur an ihren Ein- 9 und
Austrittspunkten 10 mit dem Formstück 17 fest
verbunden.
Die Druckleitung 8 wird mit speziellen thermisch
verlustarmen Stahlklammern 11 fixiert und bleibt
dadurch in der Brennlinie F für Temperaturausdeh
nungen in ausreichendem Maße beweglich.
Über die komplette Form wird eine durchsichtige
Scheibe 12 angebracht. Diese Schutzscheibe 12
wird mit der Parabolform auf der gesamten Kon
taktfläche 14 verklebt. Der entstandene Hohlraum
13 wird evakuiert, so daß die Hochdruckleitung 8
isoliert und der Oberflächenspiegel geschützt ist.
Die Flanken des Parabolrinnensystems, diese ent
sprechen den Schenkeln der Parabel, stützen die
Schutzscheibe 12 und nehmen dadurch die entste
henden Kräfte, welche durch das Vakuum entste
hen, auf.
Damit die thermischen Verluste in jedem Detail
möglichst gering sind, wird der Heißgas-Rücklauf
10 mit einem Doppelmantelsystem 18 und 19
besonders berücksichtigt.
Mit diesem Konzept ist ein geschlossener Hochdruck-, Hochtemperatur-Sonnen
kollektor entstanden, den man als Parabolrinnenkollektor oder kurz Fokuskollektor,
bezeichnen könnte und der als Direktverdampfer geeignet ist.
7
Parabolrinnenform, mäanderförmig (Rinne)
8
Hochdruckleitung (Absorber/Leitung, ein Medium führend)
9
Vorlauf (Eintrittspunkt)
10
Rücklauf (Austrittspunkt)
11
Stahlklammer (Halteklammer)
12
Schutzscheibe (Glasplatte/lichtdurchlässige Platte)
13
Vakuumraum (Hohlraum)
14
Klebefläche (Kontaktfläche/Flanken)
15
Bolzen
16
Schraube
17
Kollektorgehäuse (Formstück)
18
innere Manteleinteilung
19
äußere Manteleinteilung
18
und
19
Doppelmantelsystem
20
Vakuum-Doppelmantel zum Verbraucher
21
Schneidringverschraubung
A Schnittzeichnung Längsrichtung
B Schnittzeichnung Querrichtung
C Sonnenseite
D Parabelöffnung
E Parabeltiefe
F Brennpunkt (Brennlinie)
S Parabelscheitel
A Schnittzeichnung Längsrichtung
B Schnittzeichnung Querrichtung
C Sonnenseite
D Parabelöffnung
E Parabeltiefe
F Brennpunkt (Brennlinie)
S Parabelscheitel
Claims (15)
1. Sonnenkollektor mit einer parabelförmigen verspiegelten Rinne (7), in deren
Brennlinie (F) eine ein Medium führende Leitung (8) verläuft,
dadurch gekennzeichnet,
daß die parabelförmige Rinne (7) einen Verlauf aufweist, der die Fläche eines Formstücks (17) ausfüllt, daß das Formstück (17) von einer lichtdurchlässigen Platte (12) abgedeckt ist, wobei die Flanken der Parabelform die Brennlinie (F) derart überragen, daß die ein Medium führende Leitung (8) mit überdeckt wird
und dabei die Flanken der Rinne (7) die lichtdurchlässige Platte (12) stützen, daß der Hohlraum (13) zwischen der lichtdurchlässigen Platte (12) und dem Formstück (17) evakuiert ist und daß die ein Medium führende Leitung (8) eine dünne Hochdruckleitung ist.
daß die parabelförmige Rinne (7) einen Verlauf aufweist, der die Fläche eines Formstücks (17) ausfüllt, daß das Formstück (17) von einer lichtdurchlässigen Platte (12) abgedeckt ist, wobei die Flanken der Parabelform die Brennlinie (F) derart überragen, daß die ein Medium führende Leitung (8) mit überdeckt wird
und dabei die Flanken der Rinne (7) die lichtdurchlässige Platte (12) stützen, daß der Hohlraum (13) zwischen der lichtdurchlässigen Platte (12) und dem Formstück (17) evakuiert ist und daß die ein Medium führende Leitung (8) eine dünne Hochdruckleitung ist.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rinne (7) mäanderförmig verläuft.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rinne (7) wie eine Schneckenform ausgebildet ist.
4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Medium normales Frischwasser ist.
5. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß er für den Betrieb eines Kleinkraftwerks ausgelegt ist.
6. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis S.
dadurch gekennzeichnet,
daß das Formstück (17) ein Blechtiefziehteil ist.
7. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtdurchlässige Platte (12) mit den Flanken der Rinne (7) verklebt ist.
8. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Formstück (17) rückwärtig durch eine Wanne verstärkt ist.
9. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitung (8) derart gelagert ist, daß eine Längenausdehnung in beide
Richtungen erfolgen kann.
10. Sonnenkollektor nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß Halteklammern (11) für die Leitung (8) vorgesehen sind, wobei die Leitung
(8) durch Eindrücken in eine Klammerung der Halterklammern (11) frei
beweglich aber fest in der Brennlinie (F) fixiert ist.
11. Sonnenkollektor nach Anspruch 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längen der Leitung (8) derart verkürzt sind, daß die Rundbögen im
Arbeitstemperaturbereich exakt in der Brennlinie (F) liegen.
12. Sonnenkollektor nach Anspruch 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rücklauf (10) der Leitung (8) zum Verbraucher isoliert ist.
13. Sonnenkollektor nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolation als Doppelmantel ausgestaltet ist.
14. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß er mit einem Nachführsystem ausgestattet ist, durch das er der Sonne
nachgeführt wird.
15. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Parabelform der parabelförmigen Rinne (7) eine große Öffnungsweite
aufweist.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE10011052A DE10011052B4 (de) | 2000-03-07 | 2000-03-07 | Sonnenkollektor |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10011052A DE10011052B4 (de) | 2000-03-07 | 2000-03-07 | Sonnenkollektor |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10011052A1 true DE10011052A1 (de) | 2002-04-04 |
DE10011052B4 DE10011052B4 (de) | 2006-06-29 |
Family
ID=7633818
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10011052A Expired - Fee Related DE10011052B4 (de) | 2000-03-07 | 2000-03-07 | Sonnenkollektor |
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Country | Link |
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DE (1) | DE10011052B4 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CZ297035B6 (cs) * | 2003-08-11 | 2006-08-16 | Nettechnik V.O.S. | Solární kolektor |
CN102901242A (zh) * | 2012-11-14 | 2013-01-30 | 镇江七政新能源有限公司 | 双蛇管太阳能集热器 |
EP2306115A3 (de) * | 2009-10-05 | 2013-12-11 | Vaillant GmbH | Solarkollektor |
DE102014007614A1 (de) * | 2014-05-26 | 2015-11-26 | Wilhelm Lappe | Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und thermischer Sonnenkollektor mit einem derart hergestellten Wärmetauscher |
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US1014972A (en) * | 1911-06-28 | 1912-01-16 | Thomas F Nichols | Solar heater. |
GB1541034A (en) * | 1976-02-27 | 1979-02-21 | Bloomfield E | Solar energy collectors |
US4423718A (en) * | 1982-02-24 | 1984-01-03 | Garrison John D | Solar collector panel and energy shield |
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2000
- 2000-03-07 DE DE10011052A patent/DE10011052B4/de not_active Expired - Fee Related
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---|---|
DE10011052B4 (de) | 2006-06-29 |
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