DE102005028863A1

DE102005028863A1 - Konzentrierender Kollektor für direktes und diffuses Licht

Info

Publication number: DE102005028863A1
Application number: DE102005028863A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2007-01-04

Abstract

Solarkollektor in Flachbauweise, der die einfallende Sonnenstrahlung in trichterförmigen Bauteilen in optisch dichtem Material konzentriert. DOLLAR A Die trichterförmigen Bauteile enthalten eine Wabenstruktur, die sich wiederum trichterförmig verengt. Die Lichtstrahlen werden in der Wabenstruktur fortwährend reflektiert oder total reflektiert, dabei konzentriert und schließlich absorbiert. Die trichterförmigen Bauteile werden kontinuierlich von einer Flüssigkeit durchströmt, die die entstehende Wärme aufnimmt. Auf diese Weise kann die gesamte eingestrahlte Sonnenenergie als Wärme abgeführt werden. DOLLAR A Der Solarkollektor lässt sich vorteilhaft mit einer Wärmepumpe, insbesondere einer Resorptionspumpe, kombinieren. Dabei kann die sonst nicht mehr nutzbare Restwärme genutzt werden. DOLLAR A Die gesammelte Wärme kann auch zum Antrieb einer Kraftmaschine genutzt werden. DOLLAR A Mit Hilfe einer Wärmepumpe kann die Arbeitstemperatur des Kollektors erhöht werden und ein höherer thermischer Nutzungsgrad erreicht werden.

Description

Allgemein

Die in den Kollektor einfallende Sonnenstrahlung wird im optisch dichten Medium und in trichterförmig sich verengenden spiegelnden Körpern (Konzentratoren) konzentriert.

Das einfallende Licht wird umso mehr konzentriert je steiler sein Einfallswinkel ist.

Wenn das einfallende Licht eine hohe Konzentration erreicht hat, wird es absorbiert. Die Absorbierung des Lichtes kann kontinuierlich erfolgen, sodass die Lichtstrahlen mit dem größten Einfallswinkel vom Lot zuerst in einem Bereich in der Nähe der Deckscheibe absorbiert und die Lichtstrahlen mit einem geringen Einfallswinkel vom Lot erst in tiefen Bereichen der Kollektorelemente absorbiert werden. Das kann z.B. durch eine Kombination von Totalreflexion an den Innenseiten eines optisch dichten Körpers und durch Absorption der austretenden Strahlung erfolgen.

Die Konzentration reicht von etwa dem Vierfachen bei einfach spiegelnden Konzentratoren bis etwa dem Zehnfachen bei Konzentratoren, die kontinuierlich einen Teil der Strahlung absorbieren und den Rest konzentrieren.

Durch die trichterförmige Zuspitzung der Konzentratoren verringert sich die Menge des Materials, in dem die Lichtstrahlen konzentriert werden. Außerdem verringert sich die Wärmeleitung, sodass die Gesamtwärmeleitung von der Absorberfläche zur Deckscheibe in die Nähe von üblichem Dämmmaterial rückt. Die Wärmeaufnahme der absorbierten Strahlung geschieht im Gegenstromverfahren. Dadurch kann die gesamte einfallende Lichtstrahlung in Wärme umgesetzt und genutzt werden.

Die Leistungsfähigkeit des Kollektors kann durch eine Kombination mit einer Wärmepumpe noch weiter erhöht werden. Die nicht mehr nutzbare Wärme kann auf ein höheres Temperaturniveau gehoben werden und es kann zusätzlich Wärme über die Deckscheibe des Kollektors aus der Umgebung aufgenommen werden. Außerdem kann die Arbeitstemperatur des Kollektors mit einer Wärmepumpe erhöht und damit der thermische Wirkungsgrad vergrößert werden.

Im Einzelnen
In 1. ist ein trichterförmiger Konzentrator zu sehen, von denen eine Vielzahl nebeneinander unter einer Deckscheibe (1) angeordnet ist.
Unter der Deckscheibe befindet sich ein Spalt, durch den eine Flüssigkeit bewegt wird. Diese Flüssigkeit tritt durch eine weitere Scheibe (2), in der sich entsprechende Öffnungen befinden in den darunter liegenden Raum aus.
Die trichterförmigen Konzentratoren sind mit einem optisch dichten Material gefüllt, einer Flüssigkeit oder einer Kombination von Flüssigkeit und Festkörpern, die optisch etwa die gleiche Dichte haben.
Die einfallenden Lichtstrahlen können ohne große Verluste in den Konzentrator eindringen. Nur an der Ober- und Außenseite der Deckscheibe werden die Lichtstrahlen zum Teil reflektiert aber nicht, wie sonst bei Flachkollektoren, auch an der Unterseite.
Ein trichterförmiger Konzentrator enthält wiederum trichterförmige Elemente (3), deren Oberfläche die Lichtstrahlen reflektieren. Die trichterförmigen Elemente sind wabenförmig zusammengefügt, wobei sich die Wabe von einer Seite zur anderen verengt.
5a und 5b zeigen die Anordnung von quadratischen oder trichterförmigen Konzentratoren in der Draufsicht auf die Kollektordeckscheibe.
Nach 1 besteht die Oberfläche der trichterförmigen Elemente aus einer metallisch spiegelnden Fläche. Die Lichtstrahlen werden in diesen trichterförmigen Elementen durch wiederholte Reflexion an den sich verengenden Wänden konzentriert. Ihr Winkel vom Lot wird immer steiler bis er schließlich fast 90° vom Lot erreicht hat. Wenn alle einfallenden Lichtstrahlen konzentriert werden sollen, dann lässt sich auf diese Weise eine maximale Konzentration auf etwa das Vierfache erzielen.
Wenn aber auf die Konzentration derjenigen Strahlen, die mit großem Winkel vom Lot von der Seite her einfallen, verzichtet wird, können höhere Konzentrationen erreicht werden.
In dem anschließenden säulenartigen Teil des Konzentrators werden die Lichtstrahlen in einen tieferen Bereich des Konzentrators geleitet und schließlich an der Rückseite (4) absorbiert.
Nach 2 können die trichterförmigen Elemente auch aus einer Doppelwand aus Kunststoff oder Glas (5) bestehen, zwischen denen sich ein spaltförmiger Luftraum befindet.
Die Doppelwand ist in 3 noch einmal vergrößert dargestellt.
In dem Luftraum zwischen den beiden Wänden (6) und (8) befindet sich eine absorbierende Fläche (7), deren Oberfläche rau genug ist, damit sie mit den Wänden nur einen minimalen Kontakt hat. Die eintretenden Lichtstrahlen werden an den Grenzflächen zu dem luftgefüllten Spalt solange durch wiederholte Totalreflexion konzentriert, bis der Winkel ihres Auftretens auf die Grenzfläche so groß geworden ist, dass sie aus dem optisch dichten Material austreten und von der absorbierenden Fläche im Spalt absorbiert werden.
Ein Teil der Lichtstrahlen wird auch über den überschrittenen Winkel der Totalreflexion hinaus noch weiter gespiegelt, bis auch er schließlich absorbiert wird.
Die trichterförmigen Elemente können bei dieser Konstruktion sehr viel enger werden als bei den Elementen, die eine durchgehend metallisch spiegelnde Oberfläche besitzen.
Um zu große Konzentrationen des einfallenden Lichtes zu vermeiden und um die Absorption des Lichtes möglichst weit von der Deckscheibe geschehen zu lassen, geht auch hier ab einer bestimmten Verengung der trichterförmige Teil in einen säulenförmigen Teil über. Oder der trichterförmige Teil geht in einen sich weniger stark verengenden trichterförmigen Teil über.
Der säulenförmige Teil der Konzentratoren, bzw. der sich weniger stark verengende trichterförmige Teil, kann bei beiden Bauarten eine totalreflektierende Außenwand besitzen, die mit einer lichtabsorbierenden Schicht hinterlegt ist.
Schließlich können in einem Konzentrator auch unterschiedliche Verfahren der Spiegelung nebeneinander vorkommen. So können durchgehend metallisch spiegelnde trichterförmige Elemente mit Elementen mit totalreflektierenden Wänden kombiniert werden.
Der Zwischenraum zwischen den Konzentratoren ist mit einem wärmedämmenden Material gefüllt und nach hinten mit einer Rückwand abgeschlossen.
In den trichterförmig sich verengenden Konzentratoren verringert sich die Wärmeleitung entsprechend der Verengung des Querschnitts. Sie beträgt ein Viertel oder weniger des Wertes, der ohne eine Verengung auftreten würde. Der Zwischenraum zwischen den trichterförmigen Konzentratoren ist mit üblichem Dämmmaterial gefüllt. Wenn die Konzentratoren mit Öl und schlecht wärmeleitendem Kunststoff gefüllt sind, ist die Gesamtwärmeleitung von der Absorberfläche zur Deckscheibe nicht viel größer als wenn der Raum mit herkömmlichem Dämmmaterial gefüllt wäre.
Die trichterförmigen Konzentratoren werden in der Richtung des einfallenden Lichtes und in der Gegenrichtung der im Kollektor sich ausbreitenden Wärme von einem lichtdurchlässigen Wärmeträger durchströmt. Dabei empfiehlt sich die Verwendung eines Öles, das eine niedrigere spezifische Wärme als Wasser hat. Der Siedepunkt sollte möglichst hoch liegen.
Die trichterförmigen Elemente sind vorteilhaft mit einer Schüttung von optisch etwa gleich dichtem Material wie der flüssige Wärmeträger, z.B. einem Kunststoffgranulat, gefüllt. Die Körnung soll klein genug sein, damit eine thermische Umwälzung der Flüssigkeit innerhalb eines Konzentrators vermieden wird.
Um das Gewicht der Konzentratoren zu verringern, können in die trichterförmigen Elemente auch kleinere luftgefüllte Trichter von der Deckscheibe her hineinragen. Der Wärmeträger wird am hinteren Ende der Konzentratoren durch eine Rohrleitung aufgenommen und weitergeleitet.
Die im Kollektor gesammelte Wärme kann direkt für eine thermische Nutzung – z.B. Heißwasser – verwendet werden oder zum Antrieb einer Wärmepumpe oder einer Kraftmaschine oder einer Kombination davon dienen.
In Kombination mit einer Wärmepumpe (11), beispielsweise einer Sorptionspumpe, kann nach 4 die nicht mehr für thermische Nutzung verwendbare Wärme hochgepumpt werden. Dafür hat die nutzbare Wärme eine niedrigere Temperatur als die Temperatur an der Absorberfläche.
Der in den Kollektor zurückfließende Wärmeträger (10) kann so weit gekühlt werden, dass über die Deckfläche des Kollektors Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden kann. Die Deckfläche des Kollektors dient in diesem Fall als Wärmetauscher.
Wenn die Wärmepumpe (11) als Wärmetransformator arbeitet, kann auch ein Teil des Wärmeträgers, der die Wärme aus den Konzentratoren abführt, auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden und im Kreislauf (9) den Konzentratoren wieder zugeführt werden. Die vermehrt zugeführte Wärme wird durch den im Gegenstrom zur sich ausbreitenden Wärme fließenden Wärmeträger wieder aufgenommen. Lediglich die Strömungsgeschwindigkeit wird entsprechend der Temperaturerhöhung erhöht. Die energetisch hochwertige, einfallende Sonnenstrahlung erhöht die schon vorgewärmte Absorberfläche auf ein höheres Temperaturniveau. Auf diese Weise werden die Arbeitstemperatur und die Nutzwärme des Kollektors erhöht.
Insbesondere, wenn die im Kollektor erzeugte Wärme zum Antrieb einer Kraftmaschine, z.B. eines Stirlingmotors, dienen soll, empfiehlt sich eine Erhöhung der Arbeitstemperatur, um den thermischen Wirkungsgrad zu vergrößern.

Claims

Solarkollektor mit flacher Deckscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass trichterförmige Bauteile nebeneinander unter der Deckscheibe angeordnet sind, dass die trichterförmigen Bauteile eine dreieckige, quadratische oder sechseckige Grundfläche haben, dass die trichterförmigen Bauteile in ihrem Inneren eine wabenförmige Struktur enthalten, die sich von einer Seite der Wabe zur anderen verengt, sodass eine Vielzahl von aneinanderliegenden Trichtern entsteht, dass diese trichterförmigen Waben eine metallisch spiegelnde Oberfläche besitzen können oder dass die Wände der trichterförmigen Waben als Doppelwand gefertigt sind, zwischen denen sich ein Luftspalt und eine absorbierende Fläche befindet oder dass die Doppelwand mit einer teilreflektierenden Schicht überzogen ist, dass ab einem bestimmten Grad der Verengung des trichterförmigen Bauteils die Verengung geringer wird oder in einen säulenförmigen Teil übergeht oder die Verengung des trichterförmigen Bauteils kontinuierlich geringer werden kann, dass der säulenförmige Teil eine verspiegelte oder eine durchsichtige Wand aufweisen kann, dass sich hinter der durchsichtigen Wand eine absorbierende Fläche befinden kann, dass sich am Ende des trichterförmigen Bauteils eine absorbierende Fläche befindet, dass das trichterförmige Bauteil von einer Flüssigkeit durchströmt wird, die Wärme aufnimmt, dass das trichterförmige Bauteil außer mit Flüssigkeit zum Teil auch mit durchsichtigem Material von ähnlicher optischer Dichte gefüllt sein kann, dass die Zuleitung der Flüssigkeit durch einen Spalt unter der Deckscheibe geschieht, dass der Spalt unter der Deckscheibe durch eine zweite Scheibe mit geeigneten Öffnungen gebildet wird, durch die Flüssigkeit in die trichterförmigen Bauteile austreten kann, dass die Flüssigkeit am anderen Ende der trichterförmigen Bauteile durch eine Sammelleitung abgeführt wird, die eine Reihe der trichterförmigen Bauteile verbindet, dass die aus dem Kollektor abgeführte Flüssigkeit in einem externen Wärmetauscher ihre Wärme abgibt und wieder dem Spalt unter der Deckscheibe zugeführt wird.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Kollektor abgeführte, erhitzte Flüssigkeit eine Sorptionspumpe antreibt, dass die Abwärme der Sorptionspumpe als Nutzwärme verwendet wird und dass die Sorptionspumpe die Restwärme der aus dem Kollektor abgeführten Flüssigkeit aufnimmt und auf einem höheren Temperaturniveau als Nutzwärme abgibt, dass die derart abgekühlte Flüssigkeit von neuem den Kollektor durchströmt, dass die Sorptionspumpe auch durch eine Kombination von Wärmekraftmaschine und Wärmepumpe ersetzt werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionspumpe oder Wärmepumpe derart beschaffen ist, dass sie einen Teil der aus dem Kollektor abgeführten Flüssigkeit auf eine höhere Temperatur bringt, dass die Flüssigkeit mit erhöhter Temperatur im Kreislauf der am hinteren Ende der trichterförmigen Bauteile entnommenen Flüssigkeit beigemengt wird, dass die derart beigemischte Flüssigkeit die Temperatur der Absorberflächen erhöht.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die trichterförmigen Waben in ihrem Inneren trichterförmige mit Luft gefüllte Hohlräume haben.