-
Vorliegende
Erfindung betrifft ein System zur Solarenergienutzung mit einer
Vorrichtung zur Wärmeabgabe an die Umgebung, ein Verfahren
zum Betreiben des Systems sowie Verwendungsmöglichkeiten des
Systems. Das System zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass
es tagsüber zur Erzeugung von thermischer und/oder elektrischer
Energie aus Sonnenstrahlung genutzt werden kann und nachts zur Kühlung
eines Wärmeträgers dient.
-
Thermisch
angetriebene Verfahren zur Kälteerzeugung auf Basis von
Absorptions- oder Adsorptionsprozessen sind seit vielen Jahren bekannt. Die
Antriebswärme für diese Prozesse kann beispielsweise
durch thermische Solarkollektoren zur Verfügung gestellt
werden, man spricht dann von „solarer Kühlung"
bzw. „solarer Gebäudeklimatisierung". Diese Verfahren
stehen in Konkurrenz zu konventionellen Kühlverfahren,
d. h. heute v. a. zu elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschinen.
Unter den derzeitigen Marktbedingungen ist ein Kühlsystem,
das einen großen Teil seiner Antriebsenergie aus thermischer
Solarenergie bezieht, meist mit höheren Kältegestehungskosten
verbunden als ein vergleichbares konventionelles System (H.-M.
Henning, (ed.): Solar assisted Air Conditioning in Buildings – A Handbook
for Planners. ISBN: 3211006478. Springer, Wien 2004).
-
Um
das Potential der solaren Kühlung zur Einsparung von fossilen
Brennstoffen und Treibhausgasemissionen ausschöpfen zu
können, ist es wünschenswert, die Wirtschaftlichkeit
gegenüber konventionellen Konkurrenzsystemen zu erhöhen.
-
Neben
aktiven Verfahren zur Kälteerzeugung gibt es für
die Gebäudekühlung auch passive Verfahren und
solche, die nur wenig Hilfsenergie zur Zirkulation eines Kühlmediums
benötigen und somit „fast passiv" genannt werden
können. Dazu gehören die Nachtlüftung
von Gebäuden sowie die nächtliche Kühlung
von Wasser in offenen oder geschlossenen Kreisläufen mittels
Wärmeabgabe an die Umgebungsluft, Verdunstungskühlung,
Strahlungskühlung an den Nachthimmel oder einer Kombination
dieser Effekte. Um für die Gebäudekühlung
während der Tagesstunden nutzbar zu sein, benötigen
alle diese Verfahren einen „Kältespeicher", also
ein System mit genügend großer thermischer Masse,
das nachts abgekühlt wird und tagsüber Wärme
aufnimmt und dabei einen Teil der Kühllast des Gebäudes
deckt. Die Speicherung kann in der thermischen Masse des Gebäudes
selbst erfolgen (wie im Fall der Nachtauskühlung durch
kontrollierte Belüftung) oder z. B. in einem Kaltwasserspeicher,
aus dem tagsüber Kühlwasser durch das Gebäude
gepumpt wird.
-
Häufig
können die oben genannten passiven Kühlmethoden
nicht den gesamten Kältebedarf eines Gebäudes
decken, so dass weiterhin ein aktives Kühlungs- bzw. Klimatisierungssystem
benötigt wird, das dann jedoch kleiner dimensioniert werden
kann.
-
Es
gibt bereits Anlagen zur solaren Kühlung, insbesondere
zur Eiserzeugung (solar ice maker), die intermittierend mit einem
Tag/Nacht-Zyklus betrieben werden und den Unterschied zwischen Tages-
und Nachttemperatur ausnutzen. Bei diesen Anlagen wird typischerweise
der Adsorber in den Solarkollektor integriert (siehe M.
A. Lambert and B. J. Jones: A Review of Solid-Vapor Adsorption Heat Pumps;
AIAA Report 2003-051 4, 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,
6–9 January 2003, Reno, Nevada, und darin zitierte
Arbeiten, sowie E. E. Anyanwu and N. V. Ogueke, Thermodynamic
design procedure for solid adsorption solar refrigerator, Renewable
Energy, Volume 30, Issue 1, January 2005, pages 81–96).
Auch bei den in diesen Anlagen zum Einsatz kommenden Kollektoren
besteht der Zielkonflikt zwischen thermischer Isolation für
den Tagbetrieb und guter thermischer Kopplung an die Umgebung im
Nachtbetrieb.
-
Für
solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung werden konzentrierende
Solarkollektoren eingesetzt, die das Sonnenlicht auf eine relativ
kleine Absorberfläche bündeln, um hohe Absorbertemperaturen
zu erreichen. Auf diese Weise lässt sich in einem durchströmten
Absorberrohr direkt Dampf für den Betrieb einer Dampfturbine
erzeugen. Der am weitesten verbreitete Kollektortyp für
diesen Einsatzzweck ist heute der Parabolrinnenkollektor. Eine viel versprechende
Weiterentwicklung für denselben Einsatzzweck stellen Fresnel-Kollektoren
dar, bei denen viele am Boden einachsig schwenkbar gelagerte Spiegel
das Sonnenlicht auf den über dem Spiegelfeld fest installierten
Absorber fokussieren. Für den Absorber und den Aufbau des
Spiegelfeldes befinden sich derzeit verschiedene Ansätze
im Entwicklungsstadium. In einer viel versprechenden Variante, die
derzeit von der Fa. Solarmundo und ihren Entwicklungspartnern verfolgt
wird (Hansjörg Lerchenmüller et al., Abschlussbericht
für BMU: Technische und wirtschaftliche Machbarkeits-Studie
zu horizontalen Fresnel-Kollektoren, Fraunhofer ISE, Bericht TOS1-LERCH-0402-E1,
Februar 2004), wird das von den Primärspiegeln
reflektierte Licht durch einen Sekundärspiegel auf ein
selektiv beschichtetes Absorberrohr fokussiert. Unterhalb des Absorberrohres
befindet sich eine mit dem nach außen wärmegedämmten
Sekundärspiegel dicht abschließende Glasplatte, die
zur Reduzierung der thermischen Verluste des Absorberrohres beiträgt.
-
Bei
dem Solarmundo-Fresnel-Konzept ist die auf die Kollektorfläche
bezogene Effizienz zwar etwas geringer als die von Parabolrinnenkollektoren, jedoch
lässt sich der Fresnel-Kollektor bei wesentlich geringeren
Kosten realisieren. Andere Konzepte für die Aufstellung
der Primärspiegel, die v. a. in Australien verfolgt werden
(siehe z. B. D. Kurbridge, D. R. Mills and G. L. Morrison:
Stanwell Solar Thermal Power Project, Solarpaces 10th Symposium
an Solar Thermal Concentrating Technologies, Sydney, 2000) sehen
eine kompaktere Aufstellung vor, in der benachbarte Spiegelreihen
das Licht auf zwei verschiedene Absorber reflektieren. Durch diese
Spiegelanordnung kann der Abstand zwischen den Spiegelreihen vermindert
werden, ohne dass die Spiegel sich gegenseitig verschatten (CLFR-Technologie:
Compact Linear Fresnel Reflector).
-
Unabhängig
davon, welche Art konzentrierender Solarkollektoren in solarthermischen
Kraftwerken zum Einsatz kommt, spielt bei der Umwandlung in Strom
ein niedriges Temperaturniveau des Kondensators für den
Wirkungsgrad der Dampfturbine eine entscheidende Rolle (siehe z.
B. Franz Trieb, Stefan Kronshage, Volker Quaschning, Jürgen Dersch,
Hansjörg Lerchenmüller, Gabriel Morin, Andreas
Häberle: Endbericht BMU-Projekt SOKRATES (solarthermische
Kraftwerkstechnologie für den Schutz des Erdklimas), Arbeitspaket
2, 1. März 2004). Durch eine Nasskühlung
des Kondensators (Durchflusskühlung oder Verdampfungskühlung) können
wesentlich niedrigere Kondensatortemperaturen erreicht werden als
bei einer Trockenkühlung an die Umgebungsluft. Daher werden
in den gegenwärtigen Planungen Standorte für solarthermische Kraftwerke
präferiert, an denen Kühlwasser zur Verfügung
steht (z. B. an Küsten oder Flüssen). In vielen dünn
besiedelten Regionen der Erde mit hohen solaren Einstrahlungen,
die also aufgrund der Flächenverfügbarkeit und
der Einstrahlungsbedingungen gut als Standorte für solare
Kraftwerke geeignet wären, steht jedoch kein Kühlwasser
zur Verfügung.
-
Wenn
an solchen Standorten ohne verfügbares Kühlwasser
solarthermische Kraftwerke mit Trockenkühlung des Kondensators
errichtet werden, wäre es sinnvoll, den Unterschied zwischen
Tages- und Nachttemperatur auszunutzen durch einen Tag/Nacht-Kältespeicher,
der nachts durch Wärmeabgabe an die Umgebung gekühlt
wird und tagsüber im Kraftwerksbetrieb einen Teil der Kondensationswärme
aufnimmt.
-
Bisher
sind keine Solarkollektoren bekannt, die spezifische Vorteile für
den Einsatz in Anlagen zur solaren Kühlung aufweisen (gegenüber
anderen Anwendungen, die dasselbe Temperaturniveau des erhitzten
Warmeträgermediums erfordern).
-
Somit
ist es Aufgabe der Erfindung, konzentrierende thermische Solarkollektoren
bereitzustellen, die zugleich zur Wärmeabgabe an die Umgebung
genutzt werden können. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Solarkollektors anzugeben,
das eine effiziente Nutzung eines derartigen Systems erlaubt.
-
Diese
Aufgabe wird bezüglich des Solarkollektors mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen
des Anspruchs 30 gelöst, wobei jeweils die abhängigen
Ansprüche vorteilhafte Ausführungsformen darstellen. Mit
den Ansprüchen 41 bis 43 werden Verwendungsmöglichkeiten
des Systems genannt.
-
Erfindungsgemäß wird
somit ein System zur thermischen und/oder elektrischen Solarenergienutzung
bereitgestellt, das folgende Bestandteile aufweist:
- a) mindestens einen konzentrierenden Reflektor, der auf der
Oberfläche mindestens ein reflektives Element zur Fokussierung
der einfallenden Sonnenstrahlung aufweist, wobei mindestens ein
Reflektor um mindestens eine Achse drehbar gelagert ist,
- b) mindestens ein Mittel zur Umwandlung von Strahlungsenergie
der Sonne in thermische und/oder elektrische Energie, das sich mindestens
zeitweise im Fokus der vom Reflektor reflektierten Strahlung befindet,
sowie
- c) mindestens ein Wärmetauschelement, das mit mindestens
einem Mittel zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers
ausgestattet ist.
-
Bevorzugt
erfolgt der Wärmetausch mit der Umgebung dabei über
mindestens eine Oberfläche des mindestens einen Wärmetauschelementes.
-
Konzentrierende
Solarkollektoren sind in der Regel aus mehreren (Einzel-)Reflektoren
gebildet, die das einfallende Sonnenlicht auf den Absorber fokussieren.
Diese Reflektoren bieten für die Aufgabenstellung der Wärmeabgabe
an die Umgebung den Vorteil, dass die Primärspiegel (auf
der Oberfläche der Reflektoren aufgebrachte reflektive
Elemente) nicht thermisch isoliert sein müssen, da die
Umwandlung der Solarstrahlung in Wärme erst auf der Oberfläche
des Absorbers erfolgt, der über eine eigene thermische
Isolierung verfügt. Somit steht die Fläche der
Reflektoren, insbesondere auch die Rückseite der Trägerkonstruktion
der Reflektoren, für den Wärmeaustausch mit der
Umgebung zur Verfügung.
-
Somit
wird es ermöglicht, einen Solarkollektor, der tagsüber
z. B. zum Antrieb eines aktiven Kälteerzeugungsverfahrens
dient, nachts für eine Wärmeaustauscherfläche
für eine (fast) passive Kühlung zu verwenden.
Bisher sind keine für diesen doppelten Einsatzzweck optimierten
Solarkollektoren bekannt. Bei herkömmlichen Solarkollektoren
mit flüssigem Wärmeträgermedium verhindert
die für eine effiziente Wärmeerzeugung notwendige
thermische Isolation des Absorbers von der Umgebung eine hohe Wärmeabgabe
im Nachtbetrieb.
-
Der
hier beschriebene Kollektor erlaubt somit die Konstruktion effizienterer
thermisch angetriebener Kältegeräte mit Tag/Nacht-Zyklus.
-
Vorzugsweise
weist das mindestens eine Wärmetauschelement eine Emissivität
im nahen Infrarotbereich, d. h. in einem Wellenlängenbereich
von etwa 5 bis 15 μm, von mindestens 0,85, bevorzugt 0,94,
besonders bevorzugt 0,98 auf.
-
Das
Wärmetauschprinzip, nach dem das Wärmetauschelement
c) funktioniert, kann dabei jedes beliebige physikalische Wärmetauschprinzip sein.
So sind beispielsweise auch Luft-Wasser-Wärmetauscher denkbar.
Besonders bevorzugt wird jedoch bei vorliegender Erfindung ein Wärmetauscher eingesetzt,
der in Strahlungswärmeaustausch mit der Umgebung, insbesondere
dem Nachthimmel gebracht werden kann. Beispielsweise kann hierzu
ein Wärmetauschelement verwendet werden, wie es von M.
G. Meir et al. (Solar Energy, Vol. 73, No. 6, S. 403–417,
2002) beschrieben wurde. Erfindungsgemäß ist
es dabei bevorzugt, wenn mehrere Wärmetauschelemente vorhanden
sind, die Strahlungswärmetauschelemente sind, d. h. auf
die beschriebene Weise funktionieren.
-
Eine
effiziente Kühlung wird dadurch ermöglicht, dass
die Dimension des Wärmetauschelementes bezüglich
der Aperturfläche des Solarkollektors möglichst
groß gewählt wird. Bevorzugt beträgt
die Oberfläche des mindestens einen Wärmetauschelementes
bezüglich der Aperturfläche des mindestens einen
Reflektors mindestens 20 kann jedoch beliebig größer
sein und die Aperturfläche des Reflektors bzw. des der
Solarkollektors übersteigen.
-
Sowohl
bei Fresnel-Kollektoren als auch bei Parabolrinnen-Kollektoren kann
die Trägerkonstruktion der Reflektoren mit fluidführenden
Rohren, Kanälen, Lamellen, Panelen und/oder Rollbond-Blechen versehen
werden, die es ermöglichen, die Oberfläche der
Reflektoren bzw. deren Rückseite sowie die Trägerkonstruktion
als Wärmeaustauscherfläche zu nutzen.
-
Die
einzelnen Reflektoren sind so aufgebaut, dass sie unterhalb der
reflektierenden Schicht die Möglichkeit der Durchströmung
mit einem Wärmeträgerfluid bieten. Es soll ein
enger thermischer Kontakt zwischen der gesamten rückseitigen
Oberfläche des Reflektors und dem Wärmeträgerfluid
bestehen. Der Wärmeübertragungswiderstand zwischen
dem Wärmeträgerfluid und der als Wärmeaustauscher
genutzten Oberfläche sollte dabei möglichst gering sein,
so dass ein enger thermischer Kontakt des ersten Wärmeträgers
mit dem Wärmetauschelement gewährleistet ist.
-
In
einer bevorzugten Realisierung enthält der Reflektor ein
Rollbond-Blech, bei dem die Fluid-Kanäle nur auf der Rückseite,
d. h. auf der dem reflektiven Element abgewandten Seite, des Bleches
hervorstehen (sog. „one side flat"-Ausführung).
Auf der Vorderseite weist das Blech die entsprechend dem Strahlengang
des Kollektors erforderliche Krümmung auf (1).
Die Anordnung der Fluidkanäle auf der Rückseite
des Bleches kann so gewählt werden, dass sowohl eine großflächige
Durchströmung des Bleches als auch eine hohe mechanische
Steifigkeit erreicht werden. Die Rollbond-Technik ermöglicht
es also, die für die Durchströmung der Trägerstruktur der
Reflektoren benötigten Fluidkanäle zugleich zur mechanischen
Stabilisierung dieser Trägerstruktur zu nutzen.
-
An
Stelle von Rollbond-Blechen, durch deren Kanäle das Wärmeträgerfluid
strömt, können auch Rohre für das Wärmeträgerfluid
verwendet werden, die in geeigneter Weise gut wärmeleitend
mit der Trägerstruktur der Reflektoren zu verbinden sind.
Dabei können alle Verbindungstechniken zum Einsatz kommen,
die aus der Technik thermischer Solarkollektoren bekannt sind.
-
Dabei
sind die Mittel zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers
auf der Oberfläche und/oder im Inneren des mindestens einen
Wärmetauschelements angeordnet.
-
In
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Solarkollektor
ein Fresnel-Kollektor mit in Bodennähe befindlichen Spiegelreihen
(Reflektoren). Diese Reflektoren müssen drehbar gelagert
sein, um bei wechselndem Sonnenstand eine Fokussierung der reflektierten
Strahlung auf das fest installierte Absorberrohr zu gewährleisten.
Bei genügend hoher Lagerung der Drehachse über
dem Boden ist es somit ohne großen konstruktiven Zusatzaufwand
möglich, die Spiegelelemente nachts umzudrehen, so dass
ihre Unterseite zum Himmel zeigt. Beim Solarmundo-Konzept für
den Fresnel-Kollektor erfolgt die Nachführung der Spiegelelemente über
ein Schneckengetriebe. Alle Spiegelelemente, die ihre Strahlung
auf dasselbe Absorberrohr fokussieren, können über
dieselbe Antriebswelle (auf der die Schnecken sitzen) angesteuert
werden, da alle Spiegel nur synchron bewegt werden müssen.
Hier wird nun ein System vorgeschlagen, bei dem die Spiegel nachts (nach
Sonnenuntergang und bis zum Sonnenaufgang) über diese Welle
in eine Position gedreht werden, so dass die IR-emittierende Rückseite
der Spiegel den kältesten Teil des Himmels sieht. Gegenüber der
Spiegelstellung am Mittag sind die Reflektoren somit je nach Anordnung
innerhalb des Fresnel- Kollektors um einen Winkel zwischen 100° und
260° gedreht.
-
In
einer weiteren bevorzugten Realisierung ist der Reflektor als Leichtbau-Sandwich
aufgebaut. Dadurch lässt sich ein verringertes Gewicht
des Spiegelelementes erreichen, wodurch der spezifische Aufwand
(pro m
2 Reflektorfläche) für
die mechanische Aufhängung bzw. den Drehmechanismus reduziert
wird. Zugleich gibt die Sandwich-Bauweise dem Spiegelelement eine
erhöhte Steifigkeit, die erforderlich ist, um auch bei
Windlast die Verformung so gering zu halten, um die gewünschte
Strahlungsfokussierung auf den Absorber bzw. Sekundärspiegel
zu gewährleisten. Wird das Spiegelelement als Leichtbau-Sandwich
ausgeführt, so befindet sich der Primärspiegel – das
reflektive Element – auf der (in der Regel konkav gewölbten)
oberen Lage des Sandwiches oder grenzt an diese an. Im Zwischenraum
des Sandwich-Elementes finden sich Leichtbau-Strukturen, wie Waben,
ein Metall- oder Keramikschaum oder miteinander verklebte Hohlkugeln,
die insbesondere nach den in
WO 2005/000502 A1 (aus Metallschaumbausteinen
aufgebautes Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung) beschriebenen
Verfahren eingebracht werden können. Auf der Unterseite des
Sandwiches befinden sich die durchströmbaren Fluidkanäle
sowie die untere Decklage des Sandwiches, wobei die untere Decklage
auch durch ein Rollbond-Blech gegeben sein kann, das die Fluidkanäle enthält.
Insbesondere kann das als untere Decklage dienende Rollbond-Blech
in den Bereichen zwischen den Fluidkanälen derart verformt
sein, dass gegenüber der oberen Decklage zusätzliche
Hohlräume entstehen, die mit der Leichtbau-Struktur gefüllt
werden können und damit zu einer zusätzlichen
mechanischen Stabilisierung des Spiegelelementes (insbesondere Verbesserung
der Tor sionssteifigkeit) beitragen. Besonders bevorzugt sind Sandwichelemente, deren
Kern durch einen Aufschäum- oder Schüttprozess
(letzter mit anschließendem Verkleben oder Sintern der
Schüttpartikel) derart entsteht, dass der Hohlraum zwischen
den beiden Deckplatten vollständig ausgefüllt
wird und somit auch die in der unteren Deckplatte enthaltenen Kanäle
in einem Arbeitsgang lückenlos von dem Kernmaterial umgeben
werden. Für den Aufschäumprozess kann beispielsweise
eine kalt oder bei geringen Temperaturen aushärtende Gießkeramik
verwendet werden, bei der die zum Aushärten benötigte
Temperatur deutlich geringer als die Schmelz- oder Erweichungstemperatur
des Materials der Deckplatten ist. Im Idealfall entsteht bereits durch
den Aufschäum- bzw. Sinterprozess eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen Kern- und Deckmaterial (Verkleben/chemische
Reaktion). Ist dies durch den Prozess allein noch nicht der Fall,
können die formschlüssig ineinander greifenden
Teile in einem zweiten Arbeitsgang miteinander stoffschlüssig
verbunden werden (z. B. durch Kleben). In einer weiteren Variante
des Aufschäumprozesses werden die Kanäle erste
nach dem Aufschäumen, aber noch vor Aushärten
des Schaums erstellt, d. h. sie werden beim Aufblasen in den noch
formbaren Schaum hineingedrückt.
-
Die
Reflektoren für solarthermische Kraftwerke sollen über
eine möglichst lange Lebensdauer eine hohe optische Effizienz
aufweisen (d. h. einen möglichst großen Strahlungsanteil
in ein bestimmtes Winkelelement reflektieren) und sollen zugleich
möglichst kostengünstig herstellbar sein. Um diese
Anforderungen zu erfüllen, besteht noch erheblicher Forschungsbedarf,
wie aus einem Review von Kennedy und Terwilliger (C. E.
Kennedy and K. Terwilliger, Optical Durability of Candidate Solar
Reflectors, Journal of Solar Energy Engineering 127, pp. 262–269,
May 2005) hervorgeht.
-
Besonders
aussichtsreich erscheinen glasfreie Spiegel, bei denen ein Substrat
mit geeigneten Reflexions- und Schutzschichten beschichtet wird
(z. B. der „Advanced Solar Reflective Mirror" ASRM,(C. E.
Kennedy and K. Terwilliger, Optical Durability of Candidate Solar
Reflectors, Journal of Solar Energy Engineering 127, pp. 262–269,
May 2005). Da glasfreie Spiegel bei erheblich geringerem
Gewicht hergestellt werden können, ist für diese
Technologie die Verwendung von Rollbond-Blechen als Trägerstruktur
(und möglicherweise zugleich als Substrat für
die Spiegel-Schichten) besonders bevorzugt.
-
Der
hydraulische Anschluss für das die Spiegelelemente durchströmende
Fluid wird so ausgeführt, dass die Drehbarkeit des Reflektors
um mindestens 120°, bevorzugt mindestens 180°,
besonders bevorzugt mindestens 270°, nicht beeinträchtigt wird.
Vorzugsweise ist dieser Anschluss in der Nähe der Drehachse
auszuführen, da dann nur ein kurzes Stück flexiblen
Schlauchs benötigt wird. Um den Druckverlust bei der Durchströmung
der Spiegelelemente gering zu halten, wird es unter typischen Betriebsbedingungen
sinnvoll sein, viele Spiegelelemente parallel anzuströmen,
z. B. können mehrere Spiegelelemente, die auf derselben
Drehachse montiert sind, parallel angeströmt werden. Dazu
wird je ein Sammelkanal für den Vor- und Rücklauf
benötigt, die entweder am Boden verlegt werden können
oder in geeigneter Weise in die Trägerkonstruktion der Spiegelelemente
integriert werden können.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindungsidee
ist die bei der Strahlungskühlung abstrahlende Fläche
nicht durch die Rückseite der Primär spiegel gegeben,
sondern befindet sich räumlich getrennt davon unterhalb
der Primärspiegel (z. B. am Boden). Solange eine langzeitstabile
glasfreie Spiegel-Technologe, die eine kostengünstige Integration
der Strömungskanäle in die Primärspiegel (Reflektoren)
ermöglicht, nicht zur Verfügung steht, kann diese
Variante Kostenvorteile aufweisen. Die nachts abstrahlende Fläche
kann in diesem Fall als am Boden liegende Matte nach Art eines Schwimmbadabsorbers
gestaltet sein. Die darüber angeordneten Primärspiegel
gehen in dieser Variante nachts in eine senkrechte Stellung, damit
die abstrahlende Fläche unter einem möglichst
großen Winkel gegen den Nachthimmel ausgerichtet ist. Ein
konstruktiver Vorteil dieser Variante ist, dass keine um die Spiegelachse
drehbaren hydraulischen Anschlüsse erforderlich sind.
-
Zusätzlich
sind auch Kombinationen denkbar, bei denen die Wärmeaustauschelemente
zumindest teilweise auf der Rückseite der Reflektoren und zusätzlich
unterhalb der Reflektoren angebracht sind, z. B. zwischen den Spiegelreihen
eines Fresnel-Kollektors.
-
Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kollektorsystems ist der Reflektor aus einem Parabolrinnen-Kollektor
gebildet. In diesem Fall kann die Wärmeaustauscherfläche
für die nächtliche Strahlungskühlung
auf der Rückseite der Parabolrinnen angeordnet sein. Bei vielen
Parabolrinnen-Konstruktionen wird es nicht möglich sein,
die Rinne nachts so weit zu drehen, dass die Flächennormalen
der Rückseite der Parabolrinne alle in den Halbraum oberhalb
des Horizontes zeigen. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein,
nur den Teil der Rückseite der Parabolrinne als Wärmeaustauscherfläche
für die Strahlungskühlung vorzusehen, deren Flächennormale zum
Himmel (d. h. nach oberhalb des Horizontes) ausgerichtet werden kann.
-
Für
den Betrieb des erfindungsgemäßen Solarkollektors,
der nachts im Modus der Strahlungskühlung betrieben wird,
bietet es sich an, während der Nacht einen Kältespeicher
zu beladen bzw. zu regenerieren. Vorzugsweise sollte dies ein gut
stratifizierter Speicher sein, z. B. ein Schichtspeicher, ein Reservoir
mit Phasenwechselmaterial und/oder Kombinationen hieraus, vorzugsweise
ein Wasser-Schichtspeicher. Für den Nachtbetrieb wird dem Speicher
vorzugsweise an der wärmsten Stelle (also der obersten
Schicht) z. B. Wasser entnommen, das nach dem Durchströmen
der IR-emittierenden Flächen des Kollektors abgekühlt
durch ein Schichtladesystem wieder in den Speicher eingeschichtet
wird, ohne die Temperaturschichtung des Speichers zu zerstören.
Je nach Anwendungsfall des Systems in einem solarthermische Kraftwerk
oder einer Anlage zur solaren Kühlung wird mit dem kalten
Wasser des Speichers tagsüber entweder der Kondensator
oder ein Gebäude gekühlt. Im Fall der Gebäudekühlung kann
das kühle Speicherwasser einerseits zur Kühlung
des Kondensators der thermisch angetriebenen Kältemaschine
genutzt werden, andererseits kann es (je nach Temperaturniveau)
auch direkt als Kaltwasser für das Gebäude dienen.
In beiden Fällen (Kraftwerk und Gebäudekühlung)
ist es sinnvoll, tagsüber dem Speicher Wasser an der kältesten
Stelle zu entnehmen (also aus der untersten Schicht) und den Rücklauf
dieses Kühlkreises wiederum über ein Schichtladesystem
in den Speicher einzuschichten, ohne die Stratifizierung zu beeinträchtigen.
In einer alternativen Realisierung enthält der Kältespeicher ein
Phasenwechselmaterial (z. B. aus der Gruppe der Paraffine oder Salze)
und kann somit weitgehend isotherm betrieben werden. Es ist auch
möglich, dass als Wärmeträgerfluid auf
der Kälteseite eine Suspension (Slurry) oder eine Emulsion
mit einem Phasenwechselmaterial eingesetzt wird, die dann zur Wärmeabgabe
durch die IR-emittierenden Flächen des Kollektorsystems
gepumpt wird. Im Fall der Gebäudekühlung kann
auch die thermische Masse des Gebäudes selbst als Speicher
dienen (Bauteilaktivierung, insbesondere Betonkernaktivierung).
-
Weiter
bevorzugt ist es, wenn der Kreislauf mindestens einen Rückkühler,
bevorzugt einen Wärmetauscher, zur Vorkühlung
des ersten Wärmeträgers aufweist.
-
In
vielen Kühlanwendungen wird es sinnvoll sein, das Wärmeträgerfluid
(erster Wärmeträger) vor der Durchleitung durch
den Wärmetauscher mittels eines weiteren Wärmetauschers,
beispielsweise eines Luft-/Flüssigkeitswärmetauschers,
vorzukühlen. Eine Vorkühlung ist insbesondere
dann sinnvoll, wenn die Temperatur des zu kühlenden Wärmeträgers
am Vorlauf der Wärmetauscherfläche mehr als 4°C
oberhalb der Umgebungstemperatur liegt (bei größeren
Temperaturdifferenzen ist der Hilfsenergieverbrauch für
konvektive Energieabgabe an die Umgebung – wie z. B. durch
einen trockenen Rückkühler mit Ventilator – i.
a. geringer als der Hilfsenergieverbrauch, der zum Durchströmen
der Strahlungsaustauschfläche mit dem Wärmeträgerfluid
aufgewendet werden muss).
-
In
einer weiteren bevorzugten Systemkonfiguration wird der erfindungsgemäße
Kollektor zusammen mit einem Sorptionsspeicher oder einem anderen
indirekten Speicher eingesetzt. Indirekte Speicher haben die Eigenschaft,
dass sie Energie und Entropie nicht gemeinsam speichern, sondern bei
ihrer Beladung mit Hochtemperatur-Wärme Entropie in Form
von Niedertem peratur-Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
Bei der Entladung muss dann Niedertemperatur-Wärme zugeführt
werden, um Nutzwärme auf höherem Temperaturniveau
zu erhalten.
-
Im
Fall eines bevorzugten Sorptionsspeichers mit dem Arbeitspaar Zeolith-Wasser
wird zur Beladung des Speichers der Zeolith im Temperaturbereich
von typischerweise 100°C–300°C desorbiert und
das ausgetriebene Wasser kondensiert, wobei die Kondensationswärme
an die Umgebung abgegeben wird. Bei der Speicherentladung wird Verdampfungswärme
zugeführt und Adsorptionswärme im Temperaturbereich
von typischerweise 50°C–250°C freigesetzt.
Somit kann ein Sorptionsspeicher auch als „indirekter Kältespeicher"
in einem Kühlsystem eingesetzt werden, da bei der Speicherentladung
im Verdampfer Nutzkälte erzeugt werden kann. Die bei der
Speicherentladung freiwerdende Wärme kann wiederum genutzt
werden, um eine thermisch angetriebene Kältemaschine zu
betreiben, so dass sich aus der Kombination von Speicher und Kältemaschine
ein zweistufiger Kälteerzeugungsprozess ergibt. Wenn Speicher
und Kältemaschine dasselbe Arbeitsmittel einsetzen (z.
B. Wasser bei Zeolith als Sorptionsmittel im Speicher and ALPO (Aluminophosphat), SAPO
(Silico-Aluminophosphat) oder Silikagel als Sorptionsmittel in der
Kältemaschine), so können Speicher und Kältemaschine
in ein Gesamtsystem integriert werden und einem gemeinsamen Verdampfer
nutzen.
-
Um
als Pufferspeicher in einem System zur solaren Kühlung
sinnvoll einsetzbar zu sein, muss ein Sorptionsspeicher zumindest über
einige Stunden den Wärmeantrag des Solarkollektors aufnehmen können.
Da konzentrierende Solarkollektoren wegen des Aufwands für
die Nachführung erst ab einer Mindestgröße
wirt schaftlich interessant werden, die typischerweise größer
20 m2 Kollektorfläche liegt, muss der
Sorptionsspeicher typischerweise mehr als 50 kWh Wärme
aufnehmen können. Für Speicher dieser Größe
kommen aus wirtschaftlichen Erwägungen nur sehr kostengünstige
Sorptionsmaterialien in Betracht. Die Adsorptionseigenschaften des
Materials sollten zudem an das vom konzentrierenden Solarkollektor
mit gutem Wirkungsgrad erzielbare Temperaturniveau angepasst sein.
Für Fresnel-Kollektoren entsprechend z. B. dem Solarmundo-Konzept,
mit denen sich problemlos Fluidtemperaturen von 200°C erreichen
lassen, sind Zeolithe vom Strukturtyp LTA (Zeolithe A und Alpha,
insbesondere hydrothermal stabilere mit zweiwertigen Kationen ausgetauschte Formen,
wie NaCa-A) und Strukturtyp FAU (Faujasite) insbesondere der hydrothermal
sehr stabile Li-LSX sowie ionenausgetauschte X- und Y-Zeolithe entsprechend
dem Stand der Technik der Zeolithsynthesen) besonders gut geeignet.
Unter einem Sorptionsspeicher wird jedoch erfindungsgemäß jeder Speicher
mit einem festen oder flüssigen Sorptionsmittel verstanden.
-
Ist
ein Sorptionsspeicher vorhanden, so wird die erfindungsgemäße
IR-emittierende Wärmeaustauschfläche bevorzugt
dazu genutzt, während der Nacht zumindest einen Teil der
Kondensationswärme des Sorptionsspeichers an die Umgebung
abzugeben. Da der Solarkollektor nachts keine Wärme liefert,
ist dafür zusätzlich entweder ein Wärmespeicher auf
einem zur Beladung des Sorptionsspeichers hinreichenden Temperaturniveau
oder eine zusätzliche, externe Wärmequelle nötig.
-
Eine
bevorzugte externe Wärmequelle ist eine Anlage der Kraft-Wärme-Kopplung
(KWK), die Abwärme auf geeignetem Temperaturniveau zur
Verfügung zu stellt.
-
Insbesondere
kann dies ein Blockheizkraftwerk mit Otto- oder Dieselmotor sein,
ein Stirling-Motor oder besonders bevorzugt eine Anlage, deren gesamte
Abwärme auf einem zur Desorption des Speichers nutzbaren
Temperaturniveau vorliegt, wie z. B. eine Mikrogasturbine (typische
Abgastemperatur 270°C) oder eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle.
-
In
Verbindung mit einem Sorptionsspeicher weist die erfindungsgemäße
IR-emittierende Oberfläche des Kollektorsystems den Vorteil
auf, dass sie genutzt werden kann, um nachts die Kondensationstemperatur
des Sorptionsspeichers zu verringern und damit je nach Wahl des
Sorptionsmaterials eine weitergehende Desorption (stärkere
Trocknung) des Sorptionsmaterials zu erreichen und somit die Speicherdichte
zu erhöhen.
-
Für
das Anwendungsgebiet der solaren Kühlung bietet der als
bevorzugte Ausführung dieser Erfindung beschriebene modifizierte
Fresnel-Kollektor weitere Nutzungsmöglichkeiten, von denen
hier einige exemplarisch genannt werden.
-
Während
solarthermische Kraftwerke erst mit einer Kollektorfläche
von vielen Tausend Quadratmetern ökonomisch interessant
werden, sind Anlagen zur solaren Kühlung schon mit sehr
viel kleineren Kollektorflächen interessant. Hier ist z.
B. an eine einzelne Fresnel-Kollektorreihe zu denken, die auf einem
Gebäudedach oder z. B. über einem Parkplatz installiert
werden kann. Zum Betrieb einer hocheffizienten thermisch angetriebenen
Kältemaschine, z. B. einer zweistufigen Absorptions- oder
Adsorptionskältemaschine, sind typischerweise Antriebstemperaturen
von 160°C bis 200°C ausreichend. Diese Betriebstemperaturen
ermöglichen eine viel einfachere Absorbertechnologie des
Kollektors als für die solarthermischen Kraftwerke (mit
Direktverdampfung von Wasser im Absorber) erforderlich.
-
Wenn
der Hauptzweck der Solaranlage die solare Kühlung ist und
nicht die solarthermische Stromerzeugung, kann es vorteilhaft sein,
photovoltaische Stromerzeugung in das System zu integrieren (z.
B. wenn es sich um ein System handelt, das abgekoppelt von einem
Stromnetz energieautark betrieben werden soll). Wenn in einem Fresnel-Kollektor
Sekundärspiegel und Absorber durch ein PV-Modul ersetzt
werden, muss dieses typischerweise gekühlt werden, um eine Überhitzung
zu verhindern. Bei genügend niedriger Vorlauftemperatur
des Kollektors kann so ein flüssiggekühltes PV-Modul
direkt an den Anfang (Vorlauf) eines Kollektorstrangs geschaltet
werden. Wenn die Vorlauftemperatur des Kollektors für die
Solarzellen schon zu hoch ist, können die PV-Module entweder
mit Wasser aus einem (nachts abgekühlten) Kaltwasserspeicher
oder mit Wasser, das tagsüber direkt durch die Reflektorelemente
geleitet und dort abgekühlt wird, durchströmt werden.
-
Solche
Hybridsysteme sind insbesondere für den Einsatz in Entwicklungsländern
interessant. In ländlichen, nicht elektrifizierten Regionen,
in denen zur Zeit etwa zwei Milliarden Menschen leben, kann der
erfindungsgemäße Kollektor mit integrierten PV-Modulen
in kleinen, dezentralen Einheiten (ab ca. 100 m2 Kollektorfläche)
eingesetzt werden, um a) Wärme für eine thermisch
angetriebene Kältemaschine zu liefern, die Eis erzeugt;
b) Wärme zum solaren Kochen zur Verfügung zu stellen
und c) Strom zu liefern, z. B. für eine Batterieladestation.
So ein System stellt für die Zielregionen eine angepasste Technologie
dar, da 1. das System zu sehr geringen Kosten mehrere Grundbedürfnisse
befriedigt, 2. ein großer Teil des Systems im Zielland
hergestellt werden kann (Tragekonstruktion, System zur Nachführung
der Spiegel, evtl. die Spiegelelemente) und 3. die wartungsanfälligen
Teile des Systems von lokalen Technikern gewartet werden können.
-
Die
zentrale Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik besteht
darin, dass die Fläche der Reflektoren eines konzentrierenden
Solarkollektors durch die Erfindung einen Zusatznutzen als Wärmeaustauscherfläche
erfährt. Ein Bedarf an Wärmeabgabe an die Umgebung
besteht sowohl bei solarthermischen Kraftwerken (Kondensationswärme)
als auch bei Anwendungen der solaren Kühlung, z. B. Rückkühlung
der Abwärme eines aktiven Kälteerzeugungssystems
oder direkte Kühlung.
-
Durch
die erfindungsgemäße Nutzung der Strahlungskühlung
an den Nachthimmel kann die Kollektorfläche auch nachts
sinnvoll genutzt werden, zudem kann der in typischen Zielregionen
große Unterschied zwischen Tages- und Nachttemperatur ausgenutzt
werden (in Verbindung mit einem thermischen Speicher).
-
Bei
der Integration von photovoltaischen Modulen in einen Fresnel-Kollektor
können die PV-Module gekühlt werden, indem das
an den PV-Modulen erwärmte Wärmeträgerfluid
durch die Reflektorflächen geleitet wird, um sich dort
wieder abzukühlen. Auch hier kann gegebenenfalls noch zusätzlich
eine Vorkühlung erfolgen.
-
Die
hier beschriebene Erfindung lässt sich jedoch unabhängig
von der gewählten Absorbertechnologie realisieren, da sie
nur eine Modifikation der Primärspiegel erfordert.
-
Erfindungsgemäß wird
ebenso ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Systems angegeben, wobei
- a) Sonnenstrahlung kollektiert und in thermische und/oder
elektrische Energie umgewandelt wird und
- b) der erste Wärmeträger über das
mindestens eine Wärmetauschelement, das mit mindestens einem
Mittel zum Durchleiten eines ersten Wärmeträgers
ausgestattet ist, gekühlt wird.
-
Dem
erfindungsgemäßen Verfahren liegen dabei die Erkenntnisse
von C. Armenta-Den et al. (Renewable Energy 28 (2003), S.
1105–1120) zugrunde.
-
Eine
besonders effiziente Möglichkeit der Wärmeabgabe
während der Nacht über die Oberfläche
des Kollektors stellt die Strahlungskühlung an den Nachthimmel
dar. Unter günstigen Bedingungen (klarer Nachthimmel, geringe
Luftfeuchtigkeit, hohe Emissivität der Oberfläche)
können bei Umgebungstemperatur Abstrahlungsleistungen von
100 W/m2 erreicht werden (M. G.
Meir et. al., Solar Energy, Vol. 73, No. 6, S. 403–417,
2002). Dazu müssten die dafür vorgesehenen
und geeignet beschichteten Flächen nachts zum Himmel hin
ausgerichtet werden. Eine Abkühlung von Oberflächen
auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur wird dadurch ermöglicht,
dass die Strahlungstemperatur des wolkenlosen Nachthimmels häufig
deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt (siehe dazu z.
B. M. G. Meir, J. B. Rekstad and O. M. Lowik: A study of
a Polymer-based radiative Cooling System, Solar Energy Vol. 73,
No. 6, pp. 403–417, 2002). Um die Wärmeabstrahlung
der Oberfläche zu maximieren, sollte die Oberfläche
eine möglichst hohe Emissivität im infra roten
Spektralbereich aufweisen. Bei nicht-konzentrierenden Kollektoren
besteht hier ein Zielkonflikt, da der Absorber für den
Kollektorbetrieb eine möglichst geringe Emissivität
in diesem Spektralbereich aufweisen sollte, um die Wärmeabstrahlungsverluste
zu minimieren. Bei konzentrierenden Kollektoren kann dieser Zielkonflikt
umgangen werden, indem die Rückseite der Reflektorfläche
so gestaltet wird, dass sie eine hohe Emissivität im Infraroten
aufweist und nachts auf den Himmel ausgerichtet werden kann. Dies
kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Oberfläche
schwarz gefärbt wird.
-
In
einer Ausführungsform erfolgt dabei ein Ausrichten des
Wärmetauschelementes auf den Nachthimmel durch Drehen mindestens
eines Reflektors, so dass die dem reflektiven Element abgewandte
Seite des Reflektors dem Nachthimmel zumindest partiell zugewandt
ist.
-
Alternativ
dazu ist es jedoch auch möglich, durch Senkrechtstellen
der den Fresnel-Kollektor bildenden Reflektoren die beispielsweise
darunter angeordneten Wärmetauschelemente auf den Himmel auszurichten.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht darauf
beschränkt, dass die Kühlung lediglich nachts
erfolgt. Insbesondere bei einer hohen Temperaturdifferenz zwischen
dem ersten wärmeträger und der Außentemperatur
kann selbstverständlich auch tagsüber eine effektive
Kühlung erfolgen.
-
Als
Verwendungsmöglichkeiten des Systems sind Umwandlung von
Sonnenstrahlung in thermische und/oder elektrische Energie, Kühlung
von Gebäuden, Kondensatoren von thermischen Kraftwerken,
bevorzugt solarthermischen Kraftwerken und/oder Photovoltaikmodulen sowie
das Betreiben von solarthermischen Kraftwerken und/oder Adsorptions-
und/oder Absorptionskältemaschinen zu nennen.
-
Vorliegende
Erfindung wird anhand der beigefügten Figur näher
erläutert, ohne die Erfindung auf die dort abgebildeten
speziellen Eigenschaften beschränken zu wollen.
-
1 zeigt
den Querschnitt eines als Parabolspiegel ausgebildeten Reflektors 1,
der aus Aluminium besteht. Bei diesem Element ist die Vorderseite als
Frontseitenreflektor 2 – das reflektive Element – ausgebildet
(beispielsweise, indem die Aluminium-Vorderseite hochglanzpoliert
und somit spiegelnd ausgebildet oder mit einer spiegelnden Beschichtung versehen
ist). Der Reflektor ist in Leichtbau-Bauweise ausgebildet, wobei
die Trägerplatte des Reflektors als Sandwichstruktur 3 ausgebildet
ist. Auf der Rückseite weist der Reflektor 1 durch
Rollbond-Technik ausgebildete Strukturen auf, die Kanäle 4 zur
Durchleitung eines Wärmeträgers aufweisen. Die
Versorgung der Kanäle 4 erfolgt durch das Anschlussrohr 5, das
gleichzeitig als Aufhängung und Drehachse des Reflektors
fungiert. Die Verteilung des durch das Anschlussrohr 5 zu-
und abgeleitete zu leitende Fluid in die Kanäle 4 ist
in 5 und 6 näher erläutert. Das
Anschlussrohr kann sich auch auf der Rückseite des Reflektors
befinden und als Aufhängung des Reflektors 1 fungieren.
-
In 2 ist
ein Reflektorelement 1 eines Fresnel-Kollektors abgebildet.
Der prinzipielle Aufbau ist identisch mit dem Reflektor 1,
der in 1 dargestellt ist, außer dass das Element
plan und nicht parabolisch ausgebildet ist.
-
In 3 ist
eine alternative Ausführungsform des Elements 1 aus 2 dargestellt,
das zusätzlich mit einer Drehachse versehen ist, über
die der Reflektor 1 gedreht oder gekippt werden kann. Die Drehachse 5 kann
dabei gleichzeitig als Rohr 5 zur Zuführung bzw.
Abführung des Wärmeträgers ausgebildet
sein. Die Verteilung des Wärmeträgers erfolgt vom
Anschlussrohr 5 in die Kanäle 4, beispielsweise wie
in 5 oder 6 erläutert. Ebenso
ist die reflektierende Eigenschaft der verspiegelten Oberfläche 2 angedeutet.
-
In 4 ist
die Rückseite des bereits in 3 beschriebenen
Reflektors 1 dargestellt, bei dem das auf der Rückseite
aufgebrachte Wärmetauschelement 6 an der Oberfläche
geschwärzt ist. Die Schwärzung kann beispielsweise
durch einen schwarzen Anstrich oder durch Beschichtung mit Ruß o. Ä.
erfolgen. Das Grundmaterial des Wärmetauschelementes 6 ist
dabei bevorzugt ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
beispielsweise Aluminium. Dadurch ist gewährleistet, dass
sich die thermische Energie der durch die Lamellen 4 geleiteten,
zu kühlenden Flüssigkeit gleichmäßig
und ganzflächig über die gesamte Oberfläche
des Wärmetauschelementes 6 verteilt, so dass,
wie in 4 durch die gewellten Pfeile angedeutet, eine
effiziente Abgabe der thermischen Energie an beispielsweise den
Nachthimmel durch Strahlungskühlung erfolgen kann.
-
In 5 ist
eine Aufsicht auf die mit dem Wärmetauschelement 6 versehen
Rückseite des Reflektors 1 dargestellt, aus der
ersichtlich wird, wie das Fluid über die Anschlussrohre 5 in
die Kanäle 4 verteilt wird. Die Verteilung des
Fluids erfolgt dabei ausge hend vom Verteilerrohr 5 zunächst über
einen Verteilerkanal (in der Figur horizontal dargestellt), im Anschluss
daran über mehrere parallele Kanäle 4 und schließlich
wieder über einen Sammelkanal, am gegenüber liegenden
Ende ebenfalls horizontal dargestellt, zurück zum Auslass,
also der entsprechenden Ableitung 5.
-
In
6 ist,
in Analogie zu
5, eine alternative Verteilungsstruktur
ausgehend von einem Zuleitungs- und Ableitungsrohr
5 in
verschiedene Kanäle dargestellt. Die Verteilung erfolgt
hier nach dem bionischen FracTherm
®-Ansatz,
der eine mehrfach verzweigte Struktur aufweist. Funktionsweise und Herstellungsmöglichkeiten
dieser Verteilungsstrukturen sind beispielsweise in der
EP 1 525 428 beschrieben.
-
7 zeigt
eine Gesamtansicht des Kollektorsystems 10 zur thermischen
und/oder elektrischen Solarenergienutzung, wobei das Kollektorsystem 10 hier
in Fresnel-Bauweise ausgeführt ist. Das System besteht
dabei aus einem Array aus einer Vielzahl von Reflektoren 1,
die beispielsweise in der Bauart ausgeführt sein können,
wie dies in einer der 2, 3 oder 4 beschrieben
ist, d. h. die Reflektoren 1 weisen eine Frontseitenverspiegelung 2 sowie ein
Wärmetauschelement 6 auf, durch das, beispielsweise
durch die in den 2 bis 4 beschriebenen
Fluidverteilungsstrukturen 4 das zu kühlende Fluid
geleitet wird. Die Reflektoren 1 sind dabei drehbar gelagert
und können zur Konzentrierung des einfallenden Sonnenlichtes 8 in
entsprechend variierender Position dem Sonnenverlauf nachgeführt
werden. Die Vielzahl der Reflektoren 1 bewirkt eine Konzentration
des Sonnenlichtes 8 auf eine Rohrleitung 7, durch
das ein zu erhitzender Wärmeträger geführt wird.
Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es jedoch auch möglich,
die Wärmetauschelemente 6 separat von den Reflektoren 1 in
der Vorrichtung 10 anzubringen, beispielsweise, wie dies
in 7 dargestellt ist, am Boden, unterhalb der Reflektoren 1.
Diese Wärmetauschelemente 6 können als
Matten ausgebildet sein und verfügen jeweils über
eine Zu- und Ableitung 5 für zu kühlendes
Fluid sowie entsprechende Verteilungsstrukturen 4 für
das Fluid. Für den Fall, dass bei den in 7 dargestellten
Fresnel-Kollektoren 10 Reflektoren 1, wie sie
in den 2 bis 4 beschrieben sind, eingesetzt
werden, erfolgt im Nachtbetrieb des Reflektors eine Ausrichtung
des Wärmetauschelementes 6 auf den Nachthimmel,
indem die Reflektoren 1 mit ihrer Rückseite auf
den Nachthimmel ausgerichtet werden. Für den Fall, dass
die Wärmetauschelemente 6 am Boden, unterhalb
der Reflektoren 1, angebracht sind, erfolgt im Nachtbetrieb
des Kollektorsystems 10 eine derartige Ausrichtung der
Reflektoren 1, dass in Projektion von oben eine möglichst
geringe Fläche der Wärmetauschelemente 6 von
den Reflektoren 1 verschattet ist, d. h. bevorzugt eine
Senkrechtstellung bzw. vertikale Ausrichtung der Reflektoren 1 bezüglich
des Nachthimmels.
-
Eine
alternative Ausführungsform des Kollektorsystems 10 ist
in 8 dargestellt, wobei hier der Reflektor 1 parabolisch
ausgebildet ist und dem in 1 dargestellten
Reflektor entspricht. Durch diesen parabolischen Reflektor erfolgt
ebenfalls eine Konzentration des Sonnenlichtes 8 auf die
Rohrleitung 7, durch die ein zu erhitzendes Fluid geführt wird.
Die erfindungsgemäße Kühlung erfolgt
durch Ausrichten der Rückseite des Reflektors 1 auf
den Nachthimmel.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2005/000502
A1 [0028]
- - EP 1525428 [0066]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - H.-M. Henning,
(ed.): Solar assisted Air Conditioning in Buildings – A
Handbook for Planners. ISBN: 3211006478. Springer, Wien 2004 [0002]
- - M. A. Lambert and B. J. Jones: A Review of Solid-Vapor Adsorption
Heat Pumps; AIAA Report 2003-051 4, 41st Aerospace Sciences Meeting and
Exhibit, 6–9 January 2003 [0006]
- - E. E. Anyanwu and N. V. Ogueke, Thermodynamic design procedure
for solid adsorption solar refrigerator, Renewable Energy, Volume
30, Issue 1, January 2005, pages 81–96 [0006]
- - Hansjörg Lerchenmüller et al., Abschlussbericht für
BMU: Technische und wirtschaftliche Machbarkeits-Studie zu horizontalen
Fresnel-Kollektoren, Fraunhofer ISE, Bericht TOS1-LERCH-0402-E1,
Februar 2004 [0007]
- - D. Kurbridge, D. R. Mills and G. L. Morrison: Stanwell Solar
Thermal Power Project, Solarpaces 10th Symposium an Solar Thermal
Concentrating Technologies, Sydney, 2000 [0008]
- - Franz Trieb, Stefan Kronshage, Volker Quaschning, Jürgen
Dersch, Hansjörg Lerchenmüller, Gabriel Morin,
Andreas Häberle: Endbericht BMU-Projekt SOKRATES (solarthermische
Kraftwerkstechnologie für den Schutz des Erdklimas), Arbeitspaket
2, 1. März 2004 [0009]
- - M. G. Meir et al. (Solar Energy, Vol. 73, No. 6, S. 403–417,
2002) [0020]
- - C. E. Kennedy and K. Terwilliger, Optical Durability of Candidate
Solar Reflectors, Journal of Solar Energy Engineering 127, pp. 262–269,
May 2005 [0029]
- - „Advanced Solar Reflective Mirror" ASRM,(C. E. Kennedy
and K. Terwilliger, Optical Durability of Candidate Solar Reflectors,
Journal of Solar Energy Engineering 127, pp. 262–269, May
2005) [0030]
- - C. Armenta-Den et al. (Renewable Energy 28 (2003), S. 1105–1120) [0054]
- - M. G. Meir et. al., Solar Energy, Vol. 73, No. 6, S. 403–417,
2002 [0055]
- - M. G. Meir, J. B. Rekstad and O. M. Lowik: A study of a Polymer-based
radiative Cooling System, Solar Energy Vol. 73, No. 6, pp. 403–417,
2002 [0055]