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Die Erfindung betrifft eine solarthermische Einrichtung mit einer Bündelungsvorrichtung zur Bündelung von einfallenden Lichtstrahlen auf einen Brennfleck sowie mit einer Wärmekraftmaschine zur Umsetzung der Energie der gebündelten Lichtstrahlen in Bewegungsenergie.
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Aus dem Stand der Technik ist eine solarthermische Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt (vergleiche Bild der Wissenschaft, Ausgabe 3/2009, Seite 90). Bei der bekannten solarthermische Einrichtung ist es vorgesehen, einfallendes Sonnenlicht mit Hilfe eines Parabolspiegels auf einen räumlich begrenzten Brennfleck zu bündeln, um einen im Brennfleck angeordneten und auch als Receiver bezeichneten Stirling-Motor zu betreiben. Dem Stirling-Motor kommt die Aufgabe zu, die Energie der gebündelten Lichtstrahlen in Bewegungsenergie zu wandeln, mit der beispielsweise ein Generator betrieben werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Leistungsfähigkeit der bekannten solarthermischen Einrichtung zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird für eine solarthermische Einrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Wärmekraftmaschine abseits des Brennflecks der Bündelungseinrichtung angeordnet ist und dass zwischen dem Brennfleck der Bündelungsvorrichtung und der Wärmekraftmaschine ein Lichtleiter angeordnet ist, um das im Brennfleck gebündelte Licht zur Wärmekraftmaschine zu leiten.
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Hierdurch können mehrere Effekte erzielt werden, die sich positiv auf die Leistungsfähigkeit und die Herstellungskosten für eine derartige solarthermische Einrichtung auswirken. Die Tragfähigkeit der Bündelungsvorrichtung muss nicht länger auf das Gewicht der Wärmekraftmaschine angepasst werden, da diese abseits des Brennflecks der Bündelungsvorrichtung angeordnet ist, insbesondere auf dem Boden aufgestellt ist. Hierdurch kann die Bündelungsvorrichtung einfacher, leichter und kostengünstiger aufgebaut werden. Die Wärmekraftmaschine kann der Bündelungsvorrichtung derart zugeordnet werden, dass sie überwiegend oder stets im Schatten liegt. Hierdurch wird der Kühlungsbedarf für die Wärmekraftmaschine reduziert, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine erhöhen lässt. Desweiteren kann vorgesehen sein, mehrere Wärmekraftmaschinen nebeneinander angeordneter solarthermischer Einrichtungen durch geeignete Kopplungsmittel, beispielsweise mit einer Welle oder einem Kettentrieb, miteinander zu bündeln und auf einen gemeinsamen Großgenerator wirken zu lassen. Ein solcher Großgenerator weist gegenüber einer Vielzahl von unmittelbar an den Wärmekraftmaschinen angeordneten Kleingeneratoren einen höheren Wirkungsgrad auf.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Lichtleiter an einem dem Brennfleck zugewandten Endbereich mit einer Linsenanordnung versehen ist, die für eine Ausrichtung der Lichtstrahlen gegenüber einer Stirnfläche des Lichtleiters ausgebildet ist. Der Linsenanordnung kommt dabei die Aufgabe zu, die an der Oberfläche der Bündelungsvorrichtung in Richtung des Brennflecks reflektierten Lichtstrahlen derart in den Lichtleiter einzukoppeln, dass ein möglichst hoher Anteil der im Brennfleck vorliegenden Lichtstrahlen mit einem hohen Wirkungsgrad in den Lichtleiter eintreten kann. Hierbei spielt beispielsweise der Winkel, in dem die Lichtstrahlen auf den Endbereich des Lichtleiters auftreffen, eine erhebliche Rolle. Vorzugsweise ist die Linsenanordnung als Kollimator ausgebildet, um die im Lichtfleck vorliegenden Lichtstrahlen als Parallelstrahlen in den Lichtleiter einzukoppeln. Je nach Ausgestaltung des Lichtleiters kann eine Flächennormale auf eine zur Einkopplung der Lichtstrahlen vorgesehene Stirnfläche des Lichtleiters parallel zu den einfallenden Lichtstrahlen oder in einem spitzen Winkel zu den einfallenden Lichtstrahlen ausgerichtet sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Lichtleiter einen unterbrechungsfreien Leitkörper aufweist, der für eine Lichtleitung mittels Totalreflexion ausgebildet ist. Hierdurch kann das eingekoppelte Licht mit äußerst geringen Verlusten bis zur Wärmekraftmaschine weitergeleitet werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Lichtleiter und der darin aufgenommene Leitkörper flexibel ausgebildet sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Wärmekraftmaschine frei wählbar an einem nahezu beliebigen Punkt in der Umgebung der Bündelungsvorrichtung angeordnet werden kann. Bei einer gegebenenfalls vorgesehenen manuellen oder automatischen Nachführung, also einer Verschwenkung der Bündelungsvorrichtung um eine oder mehrere Achsen entsprechend dem Sonnenstand, ist es aufgrund der flexiblen Gestaltung des Lichtleiters nicht erforderlich, die Wärmekraftmaschine ebenfalls nachzuführen.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Leitkörper als Fluidlichtleiter ausgebildet ist. Ein Fluidlichtleiter umfasst einen jeweils endseitig geschlossenen, fluidgefüllten Schlauch, in dem sich die Lichtwellen nahezu verlustfrei fortpflanzen können. Somit kann ein besonders hoher Wirkungsgrad für die Übertragung zwischen Bündelungsvorrichtung und Wärmekraftmaschine erreicht werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leitkörper ein Bündel von lichtleitenden Fasern, insbesondere Glasfasern oder Kunststofffasern, umfasst. Faserbündel zur Lichtleitung können kostengünstig hergestellt werden und sind auch bei rauhen Umweltbedingungen äußerst widerstandsfähig. Ein weiterer Vorteil eines als Faserbündel ausgeführten Lichtleiters besteht darin, dass ein Versagen einzelner Fasern nicht zu einem Totalausfall des Lichtleiters führt.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Leitkörper an einem der Wärmekraftmaschine zugewandten Endbereich des Lichtleiters in mehrere Teilbündel aufgespalten ist, wobei jedes der Teilbündel mit einer Wärmesenke der Wärmekraftmaschine gekoppelt ist. Hierdurch kann eine besonders günstige Energieübertragung zwischen dem Brennfleck und einer Wärmekraftmaschine erreicht werden, die beispielsweise mehrere, örtlich voneinander beabstandete, Wärmesenken aufweist. Bei einer als mehrzylindriger Stirling-Motor ausgebildeten Wärmekraftmaschine ist jedem der Arbeitszylinder ein Teilbündel des Lichtleiters zugeordnet, so dass eine möglichst direkte Einkopplung der Lichtenergie in den jeweiligen Arbeitszylinder gewährleistet ist. Hierdurch wird die am Brennfleck zur Verfügung gestellte optische Energie in günstiger Weise auf die als Wärmesenken dienenden Zylinder des Stirling-Motors aufgeteilt. Durch die mehrzylindrige Ausführung des Stirling-Motors sind ein vorteilhafter Rundlauf und hohe Drehzahlen des Stirling-Motors möglich. Bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl hat der Stirling-Motor sowohl bei Betrachtung eines einzelnen Zylinders als auch bei Betrachtung der gesamten Wärmekraftmaschine einen nahezu konstanten Energiebedarf, was für die Nutzung von Sonnenenergie besonders vorteilhaft ist.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Bündelungsvorrichtung als Parabolspiegel ausgebildet ist. Mit Hilfe eines Parabolspiegels kann das eintreffende Sonnenlicht in einfacher Weise auf den Brennfleck gebündelt werden. Parabolspiegel werden für andersartige solarthermische Einrichtungen, beispielsweise zur Warmwassererzeugung, mittlerweile als Serienprodukte angeboten. Ein solcher kostengünstiger Parabolspiegel kann ohne aufwendige Umbaumaßnahmen zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter eingesetzt werden.
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Bevorzugt ist der Wärmekraftmaschine eine mit dem Lichtleiter verbundene Wärmespeichereinrichtung zugeordnet, um eine gleichmäßige Energieabgabe an die Wärmekraftmaschine zu gewährleisten. Bei der Wärmespeichereinrichtung kann es sich um einen, vorzugsweise wärmisoliert ausgeführten, Behälter handeln, der mit einem Wärmespeichermedium gefüllt ist. Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Wärmespeichermedium um eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Öl, die von dem durch den Lichtleiter eingestrahlten Licht erwärmt wird und die Wärme kontinuierlich an die Wärmekraftmaschine abgeben kann. Bei einer Weiterbildung ist das Wärmespeichermedium als Phasenwechselmaterial zur Bildung eines Latentwärmespeichers ausgebildet. Bei einem Latentwärmespeicher wird überschüssige Wärmeenergie zum Aufschmelzen des Phasenwechselmaterials mit kristalliner Struktur, beispielsweise von Paraffin, genutzt. Hierbei kann eine Energiemenge gespeichert werden, die erheblich größer als die Wärmekapazität des Phasenwechselmaterials. Bei einem reduzierten Energieeintrag, beispielsweise nach Sonnenuntergang, kann das Phasenwechselmaterial weiter Wärmeenergie an die Wärmekraftmaschine abgeben. Die Wärmeenergie wird zum Einen direkt aus der kapazitiv im Phasenwechselmaterial gespeicherten Wärme abgezogen, zu einem überwiegenden Anteil resultiert die freigesetzte Wärmeenergie jedoch aus der Kristallisationswärme, die beim Phasenübergang aus der flüssigen Phase in die feste Phase freigesetzt wird. Ein Wärmeeintrag in das Phasenwechselmaterial kann besonders vorteilhaft mit einem Lichtleiter erfolgen, der an dem dem Brennfleck abgewandten Ende in mehrere Teilbündel aufgespalten ist. Besonders bevorzugt ist das dem Brennfleck abgewandte Ende des Lichtleiters oder die Teilbündel jeweils in Wärmetauschern aufgenommen, die ihrerseits in dem Phasenwechselmaterial angeordnet sind. Bei den Wärmetauschern kann es sich beispielsweise um luftgefüllte oder evakuierte Hohlkörper handeln, die um das Ende des Lichtleiters oder der Teilbündel angeordnet sind und in die das Licht eingestrahlt wird. Vorzugweise ist ein derartiger Wärmetauscher auf seiner Innenseite, die vom Licht bestrahlt wird, mit einer Absorptionsbeschichtung versehen, beispielsweise mit einer schwarzen Beschichtung. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Metall, insbesondere Aluminium hergestellt. Bevorzugt ist der Wärmetauscher an einer Außenoberfläche mit Rippen für eine Vergrößerung seiner Oberfläche und einen verbesserten Wärmeaustausch mit dem Phasenwechselmaterial ausgebildet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmespeichereinrichtung anstelle der Wärmekraftmaschine ein weiterer Wärmetauscher zugeordnet, der mit einem Heizungs- und/oder Brauchwasserleitungssystem kommunizierend verbunden ist. Dadurch kann die in der Wärmespeichereinrichtung gespeicherte Wärme unmittelbar zur Erwärmung von Brauchwasser oder Heizfluid, insbesondere Wasser, eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer solarthermischen Einrichtung,
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2 eine zweite Ausführungsform einer solarthermischen Einrichtung und
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3 eine dritte Ausführungsform einer solarthermischen Einrichtung.
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Eine in der 1 dargestellte erste Ausführungsform einer solarthermischen Einrichtung 1 umfasst eine beispielsweise als Parabolspiegel ausgebildete Bündelungsvorrichtung 2, die an einem Standfuß 3 angebracht ist, der beispielsweise auf einer nicht bezeichneten Bodenplatte befestigt ist. Der Standfuß 3 kann mit einer nicht dargestellten zweiachsigen Antriebseinrichtung versehen sein, um eine Nachführung der Bündelungsvorrichtung 2 entsprechend dem Sonnenstand vornehmen zu können. Die Antriebseinrichtung kann dabei insbesondere dazu ausgebildet sein, die Bündelungsvorrichtung um eine vertikale und um eine horizontale Achse zu verschwenken.
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An einem äußeren Umfangsbereich der Bündelungsvorrichtung 2 sind mehrere Tragarme 4 angeordnet, die vorliegend gekrümmt ausgebildet sind und die an ihren der Bündelungsvorrichtung 2 abgewandten Endbereichen ein Koppelgehäuse 5 tragen. In dem Koppelgehäuse 5, dessen der Bündelungsvorrichtung 2 zugewandte, in der 1 nicht erkennbare Stirnseite im Brennfleck der Bündelungsvorrichtung 2 liegt, ist ein erster Endbereich eines Lichtleiters 6 angeordnet. Zusätzlich kann in dem optischen Pfad zwischen der dem Koppelgehäuse 6 zugewandten, verspiegelten Oberfläche 7 der Bündelungsvorrichtung 2 und dem Lichtleiter 6 ein nicht dargestelltes optisches System angeordnet sein. Vorzugsweise ist das optische System als Kollimator ausgebildet, um die im Brennfleck aus unterschiedlichen Raumwinkeln eintreffenden Lichtstrahlen, die an der verspiegelten Oberfläche 7 der Bündelungsvorrichtung 2 reflektiert wurden, in ein im Wesentlichen aus parallelen Strahlen bestehendes Strahlenbündel umzuformen. Damit kann eine besonders wirkungsvolle und effiziente Einkopplung der Lichtstrahlen in den Lichtleiter 6 gewährleistet werden.
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In dem Lichtleiter 6 werden die eingekoppelten Lichtstrahlen ausgehend von dem im Koppelgehäuse 5 angeordneten ersten Endbereich durch Totalreflektion bis zu einem zweiten Endbereich nahezu verlustfrei weitergeleitet. Der Lichtleiter 6 ist an seinem zweiten Endbereich mit einer schematisch dargestellten Wärmekraftmaschine 8 verbunden. Bei der Wärmekraftmaschine 8 kann es sich beispielsweise um einen Stirlingmotor handeln, der auf der Bodenplatte, beispielsweise im Bereich des Kernschattens der Bündelungsvorrichtung 2, aufgestellt ist.
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Der Kernschattenbereich der Bündelungsvorrichtung 2 ist derjenige Bereich, in dem aufgrund des Schattenwurfs der Bündelungsvorrichtung 2 nahezu die gesamte Dauer des Tages Schatten vorherrscht, so dass die Wärmekraftmaschine 8 nicht in unerwünschter Weise durch direkte Sonneneinstrahlung aufgeheizt wird.
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Die Wärmekraftmaschine 8, die für eine Umsetzung der durch den Lichtleiter 6 bereitgestellten Lichtenergie in Bewegungsenergie ausgebildet ist, kann beispielsweise mit einem elektrischen Generator gekoppelt sein, der die Bewegungsenergie in elektrische Energie wandelt. Der Generator kann beispielsweise in die Wärmekraftmaschine 8 integriert sein.
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Der Lichtleiter 6 ist flexibel ausgeführt und kann beispielsweise als Fluidlichtleiter oder als Bündel von Glasfasern ausgebildet sein. Durch die flexible Ausführung des Lichtleiters 6 kann die Bündelungsvorrichtung 2 mittels der nicht dargestellten Antriebsvorrichtung gegenüber der Wärmekraftmaschine 8 verschwenkt werden, ohne dass hierdurch eine Beeinträchtigung der Übertragung der Lichtenergie zwischen Brennfleck und Wärmekraftmaschine 8 stattfindet.
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Die in der 2 dargestellte solarthermische Einrichtung 20 unterscheidet sich von der solarthermischen Einrichtung 1 durch die Aufspaltung des Lichtleiters 21 in mehrere Teillichtleiter 22, die jeweils direkt mit schematisch dargestellten Arbeitskolben 23 der als mehrzylindriger Stirlingmotor ausgeführten Wärmekraftmaschine 24 gekoppelt sind. Der Wärmekraftmaschine 24 ist, wie auch bei der ersten Ausführungsform der Erfindung, unmittelbar eine elektrische Generatoreinrichtung 25 zugeordnet, die eine Wandlung der Bewegungsenergie, wie sie von der Wärmekraftmaschine 24 bereitgestellt wird, in elektrische Energie ermöglicht.
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Der Lichtleiter 21 ist vorzugsweise als Bündel von lichtleitenden Fasern, insbesondere Kunststofffasern oder Glasfasern, ausgebildet. Mit solchen Fasern kann einerseits die gewünschte Flexibilität des Lichtleiters bei geringen Übertragungsverlusten für die eingekoppelte Lichtenergie gewährleistet werden. Andererseits erlauben die Fasern in einfacher Weise eine Aufteilung des Faserbündels in die Teillichtleiter 22.
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Vorzugsweise wird die Aufspaltung in die Teillichtleiter 22 derart vorgenommen, dass jedem der Arbeitskolben 23 der Wärmekraftmaschine 24 bei einer vorteilhaften Ausrichtung der Bündelungsvorrichtung 1 gegenüber der Sonne die gleiche Lichtenergie zugeführt wird.
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Als Brennfleck wird derjenige Flächenbereich mit minimaler Oberfläche angesehen, durch den eine maximale Anzahl von Lichtstrahlen hindurchtreten, die an der verspiegelten Oberfläche 7 der Bündelungsvorrichtung 2 gespiegelt werden. Bedingt durch Oberflächentoleranzen für die verspiegelte Oberfläche sowie durch eine Nachführung der Bündelungsvorrichtung 2 gegenüber der Sonne, die nicht stets eine optimale Ausrichtung der Bündelungsvorrichtung 2 gegenüber der Sonne gewährleisten kann, handelt es sich beim Brennfleck nur in den seltensten Fällen um einen Brennpunkt im mathematischen Sinne. Dennoch kann beispielsweise durch ein geeignetes Linsensystem eine Einkopplung der reflektierten Lichtstrahlen in den Lichtleiter mit hohem Wirkungsgrad gewährleistet werden.
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Die in der 3 dargestellte Ausführungsform solarthermische Einrichtung 30 unterscheidet sich von der solarthermischen Einrichtung 20 dadurch, dass Endbereiche der Teillichtleiter 32 jeweils in Wärmetauschern 34 aufgenommen sind. Die Wärmetauscher 34 sind als Hohlkörper ausgebildet und weisen eine nicht dargestellte, innenliegende Bestrahlungsfläche auf, die von dem in den Lichtleiter 35 eingekoppelten Licht beleuchtet wird, wobei eine Umsetzung der Lichtenergie in Wärmeenergie stattfindet. Hierdurch erwärmt sich die Außenoberfläche des jeweiligen Wärmetauschers 34 und ermöglicht somit die Erwärmung des Phasenwechselmaterials 36, das in dem als Gehäuse für die Wärmespeichereinrichtung 37 dienenden Behälter 38 aufgenommen ist und als Wärmepuffer dient. In den Behälter 38 ist auch ein Wärmetauscher 39 aufgenommen, der mit dem exemplarisch als Wärmekraftmaschine dienenden Stirling-Motor 40 gekoppelt ist und eine Wärmeübertragung aus der Wärmespeichereinrichtung 37 hin zum Stirling-Motor 40 ermöglicht. Bei dem im Behälter 38 enthaltenen Phasenwechselmaterial handelt es sich beispielsweise um Paraffin.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform einer Wärmespeichereinrichtung ist anstelle des Phasenwechselmaterials ein flüssiges oder festes Wärmespeichermaterial vorgesehen, das einen hohen Wärmekapazitätswert aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Bild der Wissenschaft, Ausgabe 3/2009, Seite 90 [0002]
