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Die Erfindung betrifft ein Absorbersystem für Solarstrahlung zur Gewinnung thermischer Energie.
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Solche Absorbersysteme werden in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Dabei wird die Solarstrahlung typischerweise von einem Parabolrinnenspiegel auf ein Absorberrohr konzentriert, das von einem Arbeitsmedium durchströmt wird. Zur Verminderung von Wärmeverlusten ist das Absorberrohr von einem transparenten Außenrohr umgeben und der Raum zwischen dem Absorberrohr und dem Außenrohr ist evakuiert.
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Ein Beispiel für ein solches Absorbersystem ist in
EP 14 035 95 A2 angegeben. Dort wird außerdem vorgeschlagen, das Absorberrohr im evakuierten Raum noch mit einem Reflektorkanal zu umgeben, der Wärmeverluste durch Abstrahlung vom Absorberrohr verringert. Auf der Fokuslinie des Parabolrinnenspiegels weist der Reflektorkanal einen schmalen Spalt auf, durch den die vom Parabolrinnenspiegel fokussierte Solarstrahlung in das Innere des Reflektorkanals eintritt und das Absorberrohr erreicht.
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Mit den genannten Maßnahmen läßt sich das Arbeitsmedium im Absorberrohr auf relativ hohe Temperaturen erwärmen. Dennoch bleibt der Wirkungsgrad des bekannten Absorbersystems unter dem theoretisch erreichbaren Wert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Absorbersystem zur solarthermischen Energiegewinnung zu schaffen, das einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Absorbersystem nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das Absorbersystem nach Anspruch 1 weist einen Hochtemperaturabsorber auf, der von einem Reflektorkanal mit Spalt zum Eintritt von Solarstrahlung umgeben ist. Im Betrieb erwärmt sich der Reflektorkanal aufgrund von Abstrahlungen vom Hochtemperaturabsorber und aufgrund direkter, gestreuter oder diffuser Solarstrahlung, die nicht oder nicht vollständig durch den Spalt in das Innere des Reflektorkanals eintritt, sondern den Reflektorkanal von außen trifft. Solche diffuse Strahlung und Streustrahlung kann von Feuchtigkeit, Wasserdampf, Staub und Schmutz im Strahlungsweg oder von Fokusfehlern etwaiger Spiegelsysteme verursacht werden. Die Erfindung maximiert den Wirkungsgrad des Absorbersystems, indem sie einen Niedertemperaturabsorber vorsieht, der thermisch mit dem Reflektorkanal gekoppelt ist. So wird die zur Erwärmung des Reflektorkanals führende thermische Energie nutzbar gemacht.
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Der Hochtemperaturabsorber ist typischerweise zylindrisch. Der Niedertemperaturabsorber verläuft vorzugsweise parallel zum Hochtemperaturabsorber am Reflektorkanal entlang. Er kann zweckmäßigerweise ebenfalls zylindrisch sein. Vorzugsweise sind Hoch- und Niedertemperaturabsorber entsprechenderweise von einem Hoch- und einem Niedertemperatur-Arbeitsmedium durchströmt. Die vom Niedertemperaturabsorber aufgenommene thermische Energie lässt sich vorzugsweise zum Vorwärmen eines Arbeitsmediums nutzen, das von der vom Hochtemperatur-Absorber aufgenommenen Energie weiter erhitzt wird.
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Der Wirkungsgrad ist besonders hoch wenn, wie in Anspruch 2 angegeben, der Reflektorkanal mehrere ineinander geschachtelte Reflektoren aufweist und der Niedertemperaturabsorber in thermischem Kontakt mit dem äußersten dieser Reflektoren steht und dessen Wärme abführt und nutzbar macht. Denn dadurch lassen sich die Temperatur des äußersten Reflektors und damit die abstrahlungsbedingten Wärmeverluste besonders niedrig halten.
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Eine weitere Verringerung von Wärmeverlusten erzielt die Ausgestaltung nach Anspruch 3 durch Anordnung von Hoch- und Niedertemperaturabsorbern sowie Reflektorkanal in einem transparenten evakuierten Außenrohr.
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Die Anordnungen nach den Ansprüchen 4 und 5 betreffen zweckmäßige Ausgestaltungen zur Nachführung des Absorbersystems entsprechend dem Sonnenstand.
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Das Hochtemperatur-Arbeitsmedium, das den Hochtemperaturabsorber durchströmt, kann sehr hohe Temperaturen erreichen und unter hohem Druck stehen. Die konstruktive Ausgestaltung nach Anspruch 6 macht es möglich, das Hochtemperatur-Arbeitsmedium auch unter diesen Bedingungen einfach zu- und abzuführen, da es ein druckfestes Rohr durchströmt. Dieses ist konzentrisch von einem vakuumdichten Rohr umgeben, das die innere Begrenzung eines Vakuumraums bildet, der den Hochtemperaturabsorber umgibt und den Reflektorkanal und den Niedertemperaturabsorber enthält. Vorzugsweise ist das druckfeste Rohr starr montiert, um Zu- und Abfuhr des Hochtemperatur-Arbeitsmediums zu erleichtern, während das vakuumdichte Rohr das druckfeste Rohr drehbeweglich umgibt und zusammen mit dem Reflektorkanal und dem Niedertemperaturabsorber auf einem Schwenkrahmen montiert ist, der diese dem Sonnenstand nachführen kann. Das druckfeste Rohr verläuft auf der Schwenkachse des Schwenkrahmens und braucht daher nicht nachgeführt zu werden.
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Zweckmäßigerweise ist der Niedertemperaturabsorber, wie in Anspruch 7 angegeben, als Wärmerohr ausgeführt.
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Anspruch 8 betrifft eine zweckmäßige Ausgestaltung der Zu- und Abfuhr des Hoch- und des Niedertemperatur-Arbeitsmediums.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
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1 ein Solarmodul mit mehreren nebeneinander angeordneten Einheiten des Absorbersystems,
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2 einen Querschnitt durch ein Absorbersystem,
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3 eine vergrößerte Darstellung des Querschnitts durch das Absorbersystem,
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4 einen Querschnitt durch den Hochtemperaturabsorber des Absorbersystems, und
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5 einen Längsschnitt durch das Absorbersystem mit Anschluss an einen Verteiler-Sammler zur Zu- und Abfuhr eines Hoch- und eines Niedertemperatur-Arbeitsmediums.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Solarmoduls mit vier nebeneinander angeordneten Einheiten eines Absorbersystems. Es weist einen feststehenden Rahmen 1 und entsprechenderweise vier daran schwenkbar gelagerte schwenkbare Rahmen 2 auf. Jeder schwenkbare Rahmen 2 trägt einen Parabolrinnenspiegel 3 und ein Absorberelement 4. Die Schwenkachse A des schwenkbaren Rahmens 2 und die Fokuslinie des Parabolrinnenspiegels 3 befinden sich im Inneren des Absorberelements 4. An einem Ende des Absorberelements 4 ist am feststehenden Rahmen 1 ein Verteiler-Sammler 5 zur Zu- und Abfuhr von Arbeitsmedien montiert, die das Absorberelement 4 durchströmen.
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Das Absorberelement 4 ist zylindrisch. Seine Zylinderachse entspricht der Fokuslinie des Parabolrinnenspiegels 3 und ist parallel zur Schwenkachse A des schwenkbaren Rahmens 2. 2 zeigt einen Querschnitt des Absorberelements 4 in einer Ebene senkrecht zur Fokuslinie F des Parabolrinnenspiegels 3 und zur Schwenkachse A des schwenkbaren Rahmens 2. Das Absorberelement 4 weist ein transparentes Außenrohr 10 auf, dessen Innenraum evakuiert ist. Im Innenraum ist konzentrisch zur Schwenkachse A ein zylindrischer Hochtemperaturabsorber 11 angeordnet, der von einem Hochtemperatur-Arbeitsmedium durchströmt wird. Der Hochtemperaturabsorber 11 ist von einem Reflektorkanal 12 umgeben, der auf der Fokuslinie F des Parabolrinnenspiegels 3 einen Spalt 13 aufweist, durch den die vom Parabolrinnenspiegel 3 fokussierte Solarstrahlung S in den Reflektorkanal 12 eintritt und auf den Hochtemperaturabsorber 11 trifft. Auf beiden Seiten des Spalts 13 und parallel zu diesem ist jeweils ein zylindrischer Niedertemperaturabsorber 14 angeordnet, der sich in thermischem Kontakt mit dem Reflektorkanal 12 befindet und von einem Niedertemperatur-Arbeitsmedium durchströmt wird.
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Der Querschnitt durch das Absorberelement 4 nach 2 ist in 3 nochmals vergrößert dargestellt. Das Außenrohr 10 ist aus Glas, vorzugsweise Quarzglas gefertigt, um für die Solarstrahlung durchlässig zu sein. Der Reflektorkanal 12 weist innen ein Reflektorblech 20 auf, das in thermischem Kontakt mit dem Hochtemperaturabsorber 11 steht. Es ist auf seiner dem Hochtemperaturabsorber 11 zugewandten Innenseite hoch reflektiv für Solarstrahlung und auf seiner Außenseite reflektiv für langwellige Wärmestrahlung beschichtet. Es reflektiert durch den Spalt 13 eintretende Solarstrahlung auf den Hochtemperaturabsorber 11. Dabei erwärmt es sich. Diese Wärme wird über den genannten thermischen Kontakt an den Hochtemperaturabsorber 11 weitergegeben.
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Weiterhin weist der Reflektorkanal mehrere ineinander geschachtelte Reflektorschalen 21, 22, 23 aus Blech auf, die thermisch voneinander isoliert sind und die Wärmeabstrahlung vom Hochtemperaturabsorber 11 minimieren. Die Reflektorschalen 21, 22, 23 sind reflektiv für langwellige Wärmestrahlung, mit geringem Emissions- und Absorptionsvermögen beschichtet. Die äußerste Reflektorschale 23 kann außen für Solarstrahlung absorbierend beschichtet sein. Die Niedertemperaturabsorber 14 stehen mittels einer Wärmeleitfolie 15 aus Graphit in flächigem thermischen Kontakt mit der äußersten Reflektorschale 23, die vorzugsweise aus Kupferblech gefertigt ist, um Wärme gut zum Niedertemperaturabsorber 14 zu transportieren.
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Im Betrieb erwärmt sich die äußerste Reflektorschale 23 aufgrund von Abstrahlungen vom Hochtemperaturabsorber und aufgrund direkter, gestreuter oder diffuser Solarstrahlung. Direkte Solarstrahlung trifft die äußerste Reflektorschale 23, weil das Absorberelement 4 den Parabolrinnenspiegel 3, wie aus 2 ersichtlich, teilweise abschattet. Diffuse Strahlung und Streustrahlung kann ferner von Feuchtigkeit, Wasserdampf, Staub und Schmutz im Strahlungsweg oder von Fokusfehlern des Parabolrinnenspiegels 3 verursacht werden. Ein wesentlicher Teil davon trifft beidseits des Spalts 13 auf die äußerste Reflektorschale 23. Die Niedertemperaturabsorber 14 machen die zur Erwärmung der äußersten Reflektorschale 23 führende thermische Energie nutzbar.
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4 zeigt den Querschnitt durch den Hochtemperaturabsorber 11 nochmals vergrößert. Im Inneren des Hochtemperaturabsorbers befindet sich ein Kapillarrohr 30, durch das das Hochtemperatur-Arbeitsmedium vom Verteiler-Sammler 5 in den Hochtemperaturabsorber 11 eingeführt wird. Das Kapillarrohr 30 ist von einem druckfesten Stahlrohr 31 umgeben. Im Raum zwischen Kapillarrohr 30 und Stahlrohr 31 strömt das Hochtemperatur-Arbeitsmedium zum Verteiler-Sammler 5 zurück. Das Stahlrohr 31 ist zylindrisch und konzentrisch zur Schwenkachse A und ist von Graphitpulver 32 und einem Kupferhüllrohr 33 sowie einer Zinnfüllung 34 umgeben, die eine Wärmekopplung zu einem umgebenden vakuumdichten Glasrohr 35 – vorzugsweise aus Quarzglas – bilden. Das Stahlrohr 31 nimmt den Druck des Hochtemperatur-Arbeitsmediums auf, was das Glasrohr 35 nicht könnte. Das Glasrohr 35 verhindert ein Zusammenbrechen des Vakuums im Außenrohr 10 bei Ausgasen aus dem Stahlrohr 31 bei hohem Druck und hoher Temperatur des darin befindlichen Hochtemperatur-Arbeitsmediums. Das Glasrohr 35 weist innen eine schwarze Beschichtung auf, die die einfallende Solarstrahlung absorbiert. Die dort auftretende Erwärmung wird über die genannte Wärmekopplung an das Stahlrohr 31 weitergegeben. Dabei lässt die Wärmekopplung das Stahlrohr 31 und das Glasrohr 35 beweglich zueinander, um unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auszugleichen und ein Drehen des Glasrohrs 35 um das Stahlrohr 31 zu erlauben. Die Beweglichkeit ist vollständig, wenn sich der Hochtemperaturabsorber 11 auf über 231,9°C erwärmt hat und die Zinnfüllung 34 geschmolzen ist. Eine Graphitfolie 36 bildet eine Wärmebrücke zwischen dem Reflektorblech 20 und dem Glasrohr 35 um, wie bei 3 beschrieben, Wärme vom Reflektorblech 20 über einen großflächigen Kontakt zum Stahlrohr 31 des Hochtemperaturabsorbers 11 hin zu übertragen.
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In einer Modifikation können Graphitpulver 32, Kupferhüllrohr 33 und Zinnfüllung 34 auch entfallen und stattdessen ein kleiner gas- bzw. luftführender Spalt zwischen Stahlrohr 31 und Glasrohr 35 vorhanden sein. Das Stahlrohr 31 ist dann außen schwarz beschichtet, beispielsweise schwarz verchromt, um die Solarstrahlung zu absorbieren. Im Bereich der Graphitfolie 36 ist das Glasrohr auf seiner Innenseite schwarz beschichtet, um die vom Reflektorblech 20 zugeführte Wärme auf das Stahlrohr 31 zu strahlen.
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5 zeigt einen Längsschnitt durch das Absorberelement 4 und seinen Anschluss am Verteiler-Sammler 5 in einer Ebene, die die Schwenkachse A enthält. Aus der Figur ist ersichtlich, dass zwischen Außenrohr 10 und Glasrohr 35 des Hochtemperaturabsorbers 11 eine Vakuumkammer gebildet ist, die ohne fehleranfällige Metall-Glasverbindungen abgeschlossen ist: Außenrohr 10 und Glasrohr 35 sind an dem in 5 gezeigten, dem Verteiler-Sammler 5 zugewandten Ende des zylindrischen Absorberelements 4 vakuumdicht miteinander verschmolzen. Am gegenüberliegenden Ende des Absorberelements 4 sind das Außenrohr 10, darin liegend das Glasrohr 35 und wiederum darin liegend das Stahlrohr 31 jeweils geschlossen. Sämtliche Teile des Absorberelements 4, einschließlich des Außenrohrs 10, des Glasrohrs 35, des Reflektorkanals 12 und der Niedertemperaturabsorber 14 sind am schwenkbaren Rahmen 2 montiert. Eine Ausnahme bildet das Stahlrohr 31, das unverschwenkbar am Verteiler-Sammler 5 angeschlossen ist. Die beschriebene Wärmekopplung zwischen dem Stahlrohr 31 und dem Glasrohr 35 erlaubt die Beweglichkeit des Glasrohrs 35 gegenüber dem feststehenden Stahlrohr 31 beim Schwenken des schwenkbaren Rahmens 2 zum Nachführen des Absorberelements 4 entsprechend dem Sonnenstand.
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Wie ebenfalls in 5 gezeigt, weist der Niedertemperaturabsorber 14 in seinem Inneren ein Kapillarrohr 40 auf, das von einem Glasrohr 41 – vorzugsweise aus Quarzglas – umgeben ist. Das Glasrohr 41 ist an dem in 5 gezeigten, dem Verteiler-Sammler 5 zugewandten Ende vakuumdicht aus dem Außenrohr 10 herausgeführt. Am gegenüberliegenden Ende ist es geschlossen.
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Im schwenkbaren Rahmen 2 befindet sich ein konzentrisch zur Schwenkachse A gehaltener Kupferring 50 mit Kammern 51, 52, die von einem Niedertemperatur-Arbeitsmedium durchströmt werden. Am feststehenden Rahmen 1 ist ein ebensolcher Kupferring 53 mit Kammern 54, 55 befestigt, die von einem weiteren Arbeitsmedium durchströmt werden. Der Kupferring 50 wird mittels Federn 57 an den Kupferring 53 angedrückt. Eine Wärmeleitfolie 56 aus Graphit stellt einen guten Wärmekontakt zwischen den beiden Kupferringen 50, 53 sicher und erlaubt ein Verdrehen der Kupferringe gegeneinander beim Schwenken des schwenkbaren Rahmens 2. Vom Kupferring 50 her strömt das Niedertemperatur-Arbeitsmedium durch das Kapillarrohr 40 in den Niedertemperaturabsorber 14 ein und durch den Raum zwischen dem Kapillarrohr 40 und dem Glasrohr 41 wieder zum Kupferring 50 zurück. Die Kupferringe 50, 53 bilden einen Wärmetauscher, der die vom Niedertemperaturabsorber 14 aufgenommene Wärme an das weitere Arbeitsmedium abgibt.
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Die Umwälzung des Niedertemperatur-Arbeitsmediums durch den Niedertemperaturabsorber 14 erfolgt aufgrund des Wärmerohr- bzw. Heatpipe-Prinzips ohne Notwendigkeit einer Umwälzpumpe. Dabei verdampft das Niedertemperatur-Arbeitsmedium im Glasrohr 41 aufgrund der vom Niedertemperaturabsorber 14 aufgenommenen Wärme. Der Dampf strömt durch die Kammern 51, 52 des Kupferrings 50 wo er unter Wärmeabgabe an das weitere Arbeitsmedium kondensiert. Das Kondensat strömt durch das Kapillarrohr 40 wieder in das Glasrohr 41 ein.
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Die Umwälzung des Hochtemperatur-Arbeitsmediums durch den Hochtemperaturabsorber 11 erfolgt durch eine (nicht dargestellte) Pumpe, die es durch den Verteiler-Sammler 5 fördert und durch das Kapillarrohr 30 in das Stahlrohr 31 injiziert. Dort verdampft es, sofern nicht bereits dampfförmig, und überhitzt. Der Dampf strömt durch das Stahlrohr 31 zum Verteiler-Sammler 5 zurück, von wo er einer Wärmekraftmaschine zugeführt wird. Vorzugsweise wird das von der Pumpe gelieferte Hochtemperatur-Arbeitsmedium vor Injektion in das Stahlrohr 31 durch einen (nicht dargestellten) Wärmetauscher im Verteiler-Sammler 5 geleitet, wo es von dem zuvor genannten weiteren Arbeitsmedium vorgewärmt wird. So wird ihm die vom Niedertemperaturabsorber 14 aufgenommene Wärme zugeführt.
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Nieder- und Hochtemperatur-Arbeitsmedium sind jeweils Wasser bei vergleichsweise niedrigerem und höherem Druck. Das Hochtemperatur-Arbeitsmedium ist Wasser, das bei hohem Druck und nach solarthermischer Erwärmung in Form von überhitztem Dampf der Wärmekraftmaschine zugeführt wird.
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Bei dem beschriebenen Aufbau erfolgen Zu- und Abfuhr der Arbeitsmedien zu und vom Absorberelement 4 am gleichen Ende des zylindrischen Absorberelements 4. Nur dort ist der Verteiler-Sammler 5 am Absorberelement 4 angeschlossen. Dies vereinfacht den mechanischen Aufbau und macht ihn unempfindlich gegen thermisch bedingte Längenänderungen des Absorberelements 4 im Betrieb.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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