DE102012212837B4 - Vorrichtung zur Nutzung von Strahlungsenergie - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Strahlung, umfassend eine Sammeleinheit, eine Übertragungseinheit und eine Arbeitseinheit, wobei die Sammeleinheit wenigstens eine Strahlung reflektierende Oberfläche umfasst, welche ausgelegt ist, Strahlung zu fokussieren und die Strahlung zu der Übertragungseinheit zu lenken, wobei die Übertragungseinheit wenigstens einen transparenten Abschnitt umfasst, welcher in eine Wand eines ersten Arbeitsfluidreservoirs der Arbeitseinheit integriert ist, wobei das erste Arbeitsfluidreservoirs ein Arbeitsfluid umfasst, und wobei die Übertragungseinheit derart angeordnet ist, dass sie zur Erwärmung des Arbeitsfluids direkt Strahlung zu dem Arbeitsfluid überträgt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Strahlungsenergie.
• Aus dem Stand der Technik sind mehrere Vorrichtungen zur Nutzung unterschiedlicher Strahlungsarten bekannt. Insbesondere Vorrichtungen zur Übertragung von Sonnenstrahlungsenergie, d. h. Sonnenlicht, in verwendbare Energieformen, insbesondere Wärmeenergie oder elektrische Energie, haben in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen, insbesondere aufgrund der steigenden Kosten für fossile Energiequellen. Üblicherweise sammelt eine Sammelvorrichtung Strahlung, welche einen bestimmten Bereich durchdringt, und konzentriert sie auf einen Bereich, in dem ein Teil der Strahlungsenergie beispielsweise in Wärmeenergie umgewandelt werden kann. Für die Übertragung der Wärmeenergie in Arbeitsmedien, insbesondere Arbeitsfluide, ist aus dem Stand der Technik die Verwendung von Wärmetauschern bekannt. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass ein sehr großer Teil der gesammelten Wärme verloren geht, da Wärme an Bauteile wie beispielsweise die Wände eines Arbeitsfluidbehälters, welche nicht zu dem tatsächlichen Arbeitsprozess beitragen, abgegeben wird. Darüber hinaus bringen die hohen Temperaturen, welche für akzeptable Wirkungsgradwerte erforderlich sind, eine Materialbelastung und erhöhte Energieverluste mit sich.
• Die DE 10 2009 039 168 A1 offenbart eine solarthermische Einrichtung mit einer Bündelungsvorrichtung zur Bündelung von einfallenden Lichtstrahlen und einer Wärmekraftmaschine zur Umsetzung der Energie der gebündelten Lichtstrahlen in Bewegungsenergie, wobei zwischen der Bündelungsvorrichtung und der Wärmekraftmaschine ein Lichtleiter vorgesehen ist, welcher das gebündelte Licht zur Wärmekraftmaschine leitet.
• Die US 2011/0232630 A1 zeigt ein System, welches eine Windkraftanlage mit einem Stirlingmotor kombiniert, wobei der Stirlingmotor seine Wärmeenergie aus einem mit Sonnenenergie betriebenen Wärmetauscher bezieht, wobei im Wärmetauscher verschiedene Fluidkreisläufe vorgesehen sind, welche den Energieübergang von den Solarkollektoren zum Stirlingmotor optimieren.
• Die US 2009/0260360 A1 betrifft ein System zum Sammeln und Umwandeln von Solarenergie in elektrische Energie, in dem Solarkollektoren mit thermodynamischen Motoren und/oder piezoelektrischen Generatoren verwendet werden.
• Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Nutzung von Strahlungsenergie zur Verfügung zu stellen, welche den Wärmeerzeugungsprozess verbessert und Wärmeverluste, wie sie in aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen auftreten, minimiert.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere Vorzüge und Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
• Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Nutzung von Strahlung zur Verfügung gestellt, umfassend eine Sammeleinheit, eine Übertragungseinheit und eine Arbeitseinheit, wobei die Sammeleinheit wenigstens eine Strahlung reflektierende Oberfläche umfasst, welche ausgelegt ist, Strahlung zu fokussieren und die Strahlung zu der Übertragungseinheit zu lenken, wobei die Übertragungseinheit wenigstens einen transparenten Abschnitt aufweist, welcher in eine Wand eines ersten Arbeitsfluidreservoirs oder -speichers der Arbeitseinheit integriert ist, wobei das erste Arbeitsfluidreservoir ein Arbeitsfluid umfasst, und wobei die Übertragungseinheit derart angeordnet ist, dass sie zur Erwärmung des Arbeitsfluids Strahlung direkt zu dem Arbeitsfluid überträgt. Die Nutzung von Strahlung umfasst bevorzugt einen Prozess zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie, wobei letztere weiter umgewandelt werden kann in andere Energie- oder Arbeitsformen, beispielsweise mechanische Arbeit oder elektrische Energie. Die Sammeleinheit umfasst bevorzugt einen oder mehrere Spiegel, welche Strahlung reflektieren, insbesondere im Wellenlängenbereich von Sonnenstrahlung. Die reflektierende Oberfläche der Sammeleinheit ist bevorzugt eine glatte Metallschicht, welche für eine maximale Reflexion der einfallenden Strahlung geeignet ist. Die reflektierende Oberfläche der Sammeleinheit ist zweckmäßigerweise gekrümmt, so dass die reflektierte Strahlung in einem Brennpunkt fokussiert wird und somit die Energiedichte der reflektierten Strahlung in dem Brennpunkt konzentriert wird. Die Krümmung der reflektierenden Oberfläche der Sammeleinheit ist bevorzugt parabolisch oder kugelförmig. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sammeleinheit eine Vielzahl reflektierender Oberflächen bzw. Spiegel, welche aneinander angrenzend oder voneinander beabstandet angeordnet sind und bevorzugt auf einen Brennpunkt fokussieren. Die fokussierte reflektierte Strahlung gelangt in eine Übertragungseinheit, welche die Strahlung in ein erstes Arbeitsfluidreservoir lenkt. Die Übertragungseinheit besteht bevorzugt aus einem im Wesentlichen für Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 2000 nm transparenten Material, so dass Strahlung in diesem Wellenlängenbereich, insbesondere Sonnenstrahlung mit Wellenlängen von 250 nm bis 1800 nm, die Übertragungseinheit mit lediglich sehr niedrigen Absorptionsverlusten passieren kann. Die Übertragungseinheit ist in eine Wand des ersten Arbeitsfluidreservoirs integriert, d. h. die entsprechende Wand des Arbeitsfluidreservoirs umfasst eine Bohrung oder ein Loch, worin die Übertragungseinheit angeordnet und festgelegt ist. Die Strahlung gelangt durch eine erste Stirnfläche der Übertragungseinheit in die Übertragungseinheit. Eine zweite Stirnfläche der Übertragungseinheit definiert einen Innenwandabschnitt bzw. einen inneren Oberflächenabschnitt des ersten Arbeitsfluidreservoirs bei der Bohrung. Die zweite Stirnfläche der Übertragungseinheit ragt bevorzugt von der Innenwand des ersten Arbeitsfluidreservoirs vor. Das erste Arbeitsfluidreservoir ist bevorzugt ein zylinderförmiger Hohlkörper, welcher ausgelegt ist, ein Arbeitsfluid zu enthalten und hohen Drücken standzuhalten. In dem ersten Arbeitsfluidreservoir ist ein Arbeitsfluid derart angeordnet, dass es direkt in Kontakt mit der Übertragungseinheit ist und direkt Strahlung empfängt, welche von der Übertragungseinheit abgegeben wird. Das Arbeitsfluid absorbiert die Strahlung und wandelt sie in Wärmeenergie um. Folglich steigt die Temperatur des Arbeitsfluids. Um eine maximale Strahlungsabsorption zu erreichen und den Temperaturanstieg an den Wänden des ersten Arbeitsfluidreservoirs niedrig zu halten, kann bevorzugt eine reflektierende Oberfläche auf die Innenwände des ersten Arbeitsfluidreservoirs aufgebracht und dadurch die Strahlungsabsorption an den Innenwänden verringert werden. Dies kann besonders dann von Vorteil sein, wenn das Arbeitsfluid teilweise transparent oder transluzent für Strahlung in dem jeweiligen Wellenlängenbereich ist. Die in das erste Arbeitsfluidreservoir eingebrachte Strahlung wird mehrmals an den Innenwänden reflektiert, ehe sie vollständig von dem Arbeitsfluid absorbiert wird. Bevorzugt umfasst die Arbeitseinheit weitere Mittel zur Nutzung der in das Arbeitsfluid übertragenen Wärmeenergie. Insbesondere dadurch kann die durch die steigende Temperatur und den steigenden Druck verursachte Ausdehnung des Arbeitsfluids zweckmäßigerweise zum Antrieb mechanischer Mittel, wie z. B. eines Kolbens, nutzbar gemacht werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform findet sich oder fließt das Arbeitsfluid nur in der Arbeitseinheit. Anders gesagt wird das Arbeitsfluid in einem geschlossenen Kreislauf zur Verfügung gestellt und nicht aus der Umwelt aufgenommen und nicht an die Umwelt abgegeben, nachdem es die Arbeitseinheit passiert hat. Bevorzugt ist das Arbeitsfluid ein Fluid, welches sich bei zunehmender Temperatur stark ausdehnt. Die Arbeitseinheit umfasst bevorzugt einen Stirling-Motor, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, welcher durch einen geschlossenen Arbeitsfluid-Kreislauf gekennzeichnet ist.
• Erfindungsgemäß ist ein zweites Ende der Übertragungseinheit als eine Linse ausgebildet, um die aufkommende bzw. austretende Strahlung derart zu brechen, dass eine im Wesentlichen gleichförmige Strahlungsverteilung in dem ersten Arbeitsfluidreservoir erzielt wird. Das Ende der Übertragungseinheit, welches einen Teil der Innenwand des ersten Arbeitsfluidreservoirs bildet, weist bevorzugt eine linsenförmige Geometrie auf. Anders gesagt weist die dem Arbeitsfluid zugewandte Endfläche der Übertragungseinheit vor dem zweiten Ende der Übertragungseinheit zweckmäßiger keine senkrecht zu der Hauptstrahlungsrichtung in der Übertragungseinheit fluchtende planare Form auf, sondern hat die Form einer konkaven Linse. Als bevorzugte Folge wird die aus der Übertragungseinheit austretende Strahlung gebrochen, bevorzugt verteilt. Um eine im Wesentlichen gleichförmige Strahlungsverteilung in dem ersten Arbeitsfluidreservoir zu erreichen, wird außerdem bevorzugt, die Übertragungseinheit an einer Position der Wand des ersten Arbeitsfluidreservoirs anzuordnen, wo die von der Strahlung zwischen dem zweiten Ende der Übertragungseinheit und gegenüberliegenden Wänden der Übertragungseinheit zu überbrückenden Abstände im Wesentlichen möglichst gleich sind. Anders gesagt ist es vorteilhaft, wenn die verteilte Strahlung, ausgehend vom zweiten Ende der Übertragungseinheit, fast gleiche Abstände durch das Arbeitsfluid abdeckt, ehe es die Innenwand des ersten Arbeitsfluidreservoirs erreicht. Auf diese Weise kann die Strahlung im Wesentlichen gleichförmig von dem Arbeitsfluid absorbiert werden und dadurch in dem Arbeitsfluid Wärme induzieren. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, eine Vielzahl von Übertragungseinheiten an dem ersten Arbeitsfluidreservoir anzuordnen, welche entlang den Wänden des ersten Arbeitsfluidreservoirs derart verteilt sind, dass das Arbeitsfluid eine im Wesentlichen gleichförmige Wärmeeinspeisung erhält.
• Bevorzugt umfasst das zweite Ende der Übertragungseinheit einen Durchgangsbereich, den die Strahlung passiert, wobei die Größe des Durchgangsbereichs vorteilhafterweise das 0,01- bis 0,4-Fache, bevorzugt das 0,05- bis 0,2-Fache, und besonders bevorzugt das 0,07- bis 0,15-Fache der Größe des Innenwandbereichs des ersten Arbeitsfluidreservoirs beträgt. Die Größe des Durchgangsbereichs der Übertragungseinheit ist ein wichtiger Parameter für die in das Arbeitsfluid zu induzierende Energiemenge. Wurde eine bestimmte Menge an Strahlungsenergie von der Sammeleinheit gesammelt, steigt die Energiedichte bzw. die Strahlungsdichte in dem Durchgangsbereich, wenn der Durchgangsbereich kleiner wird. Eine hohe Strahlungsdichte kann aufgrund einer höheren lokalen Strahlungsabsorption im Material der Übertragungseinheit zu hohen Verlusten an der Übertragungseinheit führen. Daher wird bevorzugt das Verhältnis zwischen dem Durchgangsbereich und dem Innenwandbereich derart gestaltet, dass die benötigte Strahlungsmenge die Übertragungseinheit zur Erwärmung einer bestimmten Menge des Arbeitsfluids unter minimalen Energieverlusten passieren kann. Bevorzugt ist der Durchgangsbereich nicht größer als das 0,4-Fache der Größe des Innenwandbereichs des ersten Arbeitsfluidreservoirs, da man davon ausgeht, dass der Durchgangsbereich, insbesondere aufgrund von Infrarotstrahlung, höhere Verluste zulässt als die Wände des ersten Arbeitsfluidreservoirs. Je größer dieser Durchgangsbereich ist, desto größer wird der Verlust des ersten Arbeitsfluidreservoirs erwartet.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Übertragungseinheit, bevorzugt das zweite Ende der Übertragungseinheit, eine im Wesentlichen transparente Wärme-Isolationsbeschichtung, welche geeignet ist, den Wärmefluss von dem Arbeitsfluid an die Umwelt durch die Übertragungseinheit zu verringern. Tatsächlich kann Strahlung das erste Arbeitsfluidreservoir durch die Übertragungseinheit verlassen. Insbesondere langwellige Strahlung, wie beispielsweise aufgrund der hohen Temperaturen des Arbeitsfluids erzeugte Infrarotstrahlung, kann die Übertragungseinheit passieren und in die Umwelt entweichen. Daher ist es wünschenswert, den Energiestrom von dem Arbeitsfluid durch die Übertragungseinheit in die Umwelt zu verringern, um die Gesamtverluste der Arbeitseinheit zu verringern. Die Isolierung des zweiten Endes der Arbeitseinheit kann bevorzugt durch eine Isolationsbeschichtung verwirklicht werden, welche ausgelegt ist, Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs zu reflektieren. Insbesondere reflektiert die Isolationsbeschichtung einen bestimmten Teil an Infrarotstrahlung, da man erwartet, dass das heiße Arbeitsfluid Strahlung im Wesentlichen innerhalb dieses Wellenlängenbereichs abgibt. Hierbei ist anzumerken, dass die Isolationsbeschichtung auch Infrarotstrahlung nur eingeschränkt in das erste Arbeitsfluidreservoir gelangen lässt, da es dieselben Reflexionseigenschaften in beide Richtungen in das Arbeitsfluidreservoir und nach außen aufweist. Trotz dieser Verringerung der absoluten Strahlungsenergieeinspeisung in das erste Arbeitsfluidreservoir kann die Isolationsbeschichtung zweckmäßig sein, da ein großer Teil der durch die Arbeitseinheit austretenden Strahlung Infrarotstrahlung ist. Besonders bevorzugt reflektiert die Isolationsbeschichtung Infrarotstrahlung mit Wellenlängen länger als 1200 nm.
• Besonders bevorzugt umfasst die Übertragungseinheit ein Glasfaserkabel mit einem ersten Ende, welches für den Empfang von Strahlung von dem Sammler geeignet ist, wobei das erste Ende des Glasfaserkabels bevorzugt linsenförmig ist und ausgelegt ist, eintreffende Strahlung derart zu brechen, dass im Wesentlichen gerichtete Strahlung in das Glasfaserkabel gelangt. Ein Glasfaserkabel, welches im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird für die Leitung von Strahlung, insbesondere Licht, verwendet. Mittels Totalreflexion an den Seitenwänden des Glasfaserkabels wird Strahlung daran gehindert, durch die Seitenwände zu dringen, und wird stattdessen von einer Stirnfläche zum anderen Ende geleitet. Bevorzugt besteht der Glasfaserkabelabschnitt der Übertragungseinheit aus Schwermetallfluoridgläsern, beispielsweise ZBLAN, was eine außergewöhnlich gute Fähigkeit aufweist, Strahlung in einer hohen Bandbreite von Wellenlängen mit minimalen Absorptionsverlusten zu leiten. Für eine hohe Energieflussrate über die Übertragungseinheit kann es vorteilhaft sein, eine Vielzahl von Glasfaserkabeln in der Art eines Parallelkreises anzuordnen. Das erste Ende der Übertragungseinheit kann bevorzugt integriert in eine reflektierende Fläche der Sammeleinheit angeordnet werden. Beispielsweise kann das erste Ende der Übertragungseinheit in einem Brennpunkt an der ersten reflektierenden Oberfläche der Sammeleinheit angeordnet sein, wo die sekundäre reflektierende Oberfläche die Strahlung fokussiert. Zweckmäßigerweise ist das erste Ende der Übertragungseinheit als konkave Linse ausgebildet, um eintreffende diffuse bzw. gestreute Strahlung derart zu brechen, dass sie in dem Glasfaserkabel als eine im Wesentlichen gerichtete Strahlung fortläuft. Durch das Glasfaserkabel ist es möglich, die Arbeitseinheit beabstandet von der Sammeleinheit anzuordnen. Beispielsweise kann die Arbeitseinheit an einer bequemeren Stelle in Bodennähe angeordnet werden, während die Sammeleinheit in größerer Höhe angeordnet werden kann, um möglichst viel Sonnenlicht einzufangen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines wenigstens teilweise flexiblen Werkstoffs für das Glasfaserkabel. Dadurch bleibt die Strahlungsleitungsverbindung zwischen der Sammeleinheit und der Arbeitseinheit gleichmäßig, selbst wenn sich die zwei Einheiten im Verhältnis zueinander bewegen, beispielsweise um die Sammeleinheit optimal in Richtung Sonne auszurichten.
• Vorteilhafterweise umfasst das Arbeitsfluid Strahlung absorbierende Partikel, welche die Menge an Energie, welche durch Strahlung zum Arbeitsfluid übertragen wird, erhöhen. Die Strahlung absorbierenden Partikel sind bevorzugt gleichmäßig in dem Arbeitsfluid verteilt. Vorteilhafterweise enthalten die Partikel Graphit, was einen hohen Absorptionskoeffizienten, welcher auch als Dämpfungskoeffizient bezeichnet wird, aufweist und somit geeignet ist, einen Großteil der durchdringenden Strahlungsenergie in Wärmeenergie bzw. Infrarotstrahlung umzuwandeln. Darüber hinaus können die Schmiereigenschaften von Graphit vorteilhaft für eine Verbesserung des Arbeitsprozesses genutzt werden, insbesondere in Hinblick auf bewegliche Teile der Arbeitseinheit, wie beispielsweise einen Kolben. Darüber hinaus wird eine Partikelgröße bevorzugt, welche zu nur geringfügigen negativen Auswirkungen auf den Arbeitsprozess in der Arbeitseinheit führt. Man vermutet, dass mit abnehmender Partikelgröße die Gesamtstörung des Arbeitsprozesses durch die Partikel abnimmt. Darüber hinaus wird die Partikeldichte des Arbeitsfluids bevorzugt angepasst, um ein optimales Gleichgewicht zwischen der Absorptionsrate des Arbeitsfluids und der Fluidität des Arbeitsfluids zu erreichen, um einen reibungslosen Arbeitsprozess zu gewährleisten. Man vermutet, dass insbesondere eine hohe Partikeldichte zu einer hohen Viskosität des Arbeitsfluids führt und dadurch den Arbeitsprozess behindert.
• Vorteilhafterweise weist das erste Arbeitsfluidreservoir wärme-isolierte Wände auf. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch die Wände des ersten Arbeitsfluidreservoirs sind die Wände bevorzugt wärme-isoliert. Die Wärme-Isolierung kann zum Beispiel ein Strahlung reflektierende Metallbeschichtung und/oder eine Hülle aus einem Material mit niedrigen Wärmeleitwerten an der Innen- und/oder Außenwand des ersten Arbeitsfluidreservoirs aufweisen. In Kombination mit der Isolationsbeschichtung an der Übertragungseinheit können die Energieverluste der Arbeitseinheit, d. h. der Wärmefluss vom Inneren des ersten Arbeitsfluidreservoirs an die Umwelt, bevorzugt verringert werden. Bevorzugt kann der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung erhöht werden.
• Bevorzugt weist die Vorrichtung ein zweites Arbeitsfluidreservoir auf, wobei das wenigstens zweite Arbeitsfluidreservoir Kühlmittel aufweist, welche ausgelegt sind, Wärme an einen Kühlkörper abzugeben. Das zweite Arbeitsfluidreservoir ist besonders bevorzugt ein zweiter Zylinder eines Sterling-Motors (Alpha-Typ). Bevorzugt ist das erste Arbeitsfluidreservoir ein erster erwärmter Zylinder des Stirling-Motors. Durch abwechselndes Erwärmen des Arbeitsfluids in dem ersten Arbeitsfluidreservoir und Kühlen in dem zweiten Arbeitsfluidreservoir kann mechanische Energie durch die Arbeitseinheit erzeugt werden. Vorteilhafterweise umfassen das erste und das zweite Arbeitsfluidreservoir jeweils einen Kolben, welcher von Druckkraft, welche durch die Ausdehnung und Kompression des Arbeitsfluids erzeugt wird, angetrieben wird. Die Kühlmittel können bevorzugt Kühlrippen und/oder ein Kühlfluid umfassen, welche(s) ausgelegt ist/sind konvektiv Wärmenergie von dem zweiten Arbeitsfluidreservoir abzuziehen.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Arbeitsfluidreservoirs flüssig verbunden, wobei das Arbeitsfluid abwechselnd durch Strahlung in dem ersten Arbeitsfluidreservoir erwärmt und in dem zweiten Arbeitsfluidreservoir abgekühlt wird. Bevorzugt wird das Arbeitsfluid zwischen dem ersten und zweiten Arbeitsfluidreservoir verlagert, wobei es zweckmäßigerweise abwechselnd in dem ersten Arbeitsfluidreservoir erwärmt, dann zum zweiten Arbeitsfluidreservoir verlagert, abgekühlt und anschließend zum ersten Arbeitsfluidreservoir zurück verlagert wird. Während das Arbeitsfluid diesen Zyklus durchläuft, treibt es bevorzugt wenigstens einen Kolben an, welcher bevorzugt ausgelegt ist, eine Achse oder eine Kurbelwelle anzutreiben. Die Achse ist bevorzugt ausgelegt, mechanische Energie zu einem Generator zu übertragen, damit sie in elektrische Energie umgewandelt wird.
• Zweckmäßigerweise umfasst die Übertragungseinheit eine Schaltvorrichtung, um abwechselnd Strahlung zu dem Arbeitsfluid bzw. den Arbeitsfluiden in einem der Arbeitsfluidreservoirs zu übertragen. Wenn bevorzugt beide, das erste und das zweite Arbeitsfluidreservoir, eine Bohrung für den Anschluss eines zweiten Endes der Übertragungseinheit und der Kühlmittel aufweisen, kann ein Arbeitszyklus erzeugt werden, indem abwechselnd Strahlung zu den Arbeitsfluidreservoirs übertragen wird. Vorteilhafterweise erwärmt sich das Arbeitsfluid in einem der Arbeitsfluidreservoirs, dehnt sich aus und treibt bevorzugt einen Kolben an, während das Arbeitsfluid in dem anderen Arbeitsfluidreservoir abkühlt, sich zusammenzieht und bevorzugt einen anderen Kolben antreibt. Um eine abwechselnde Zuführung von Strahlung zu den jeweiligen Arbeitsfluiden zu verwirklichen, umfasst die Übertragungseinheit eine Schaltvorrichtung. Die Schaltvorrichtung ist in einer ersten bevorzugten Ausführungsform ein reflektierendes Element, d. h. ein Spiegel, welcher derart drehbar ist, dass in einer ersten Drehposition Strahlung zu einem zweiten Ende der Übertragungseinheit, welches an dem Arbeitsfluidreservoir angeordnet ist, geführt wird und dass in einer zweiten Drehposition Strahlung zu einem dritten Ende der Übertragungseinheit, welches an dem zweiten Arbeitsfluidreservoir angeordnet ist, geführt wird. Die Drehzeit ist bevorzugt sehr kurz, um den Verlust von Strahlungsenergie während des Verlagerns der Position des Spiegels zu minimieren. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltvorrichtung ein Piezoelement, welches seine optischen Eigenschaften, insbesondere den Reflexionsgrad, ändern kann, wenn eine bestimmte Spannung angelegt wird. Das Piezoelement kann bevorzugt wenigstens zwei Zustände annehmen, von denen jeder Strahlung zu ausgewählten Arbeitsfluidreservoirs reflektiert. Darüber hinaus wird bevorzugt, den Kühlprozess als abwechselnden Zyklus durchzuführen, um gleichzeitiges Erwärmen durch Strahlung und Kühlen durch die Kühlmittel zu verhindern. Dies kann insbesondere durch ein fliehendes bzw. flüssiges Kühlmedium verwirklicht werden, dessen Fluss so gesteuert wird, dass nur das Arbeitsfluidreservoir, welches nicht gleichzeitig Strahlung empfängt, gekühlt wird. Es ist zu beachten, dass die Arbeitsfluidreservoirs keine isolierten Wände umfassen, wenn sie die Kühlmittel umfassen und umgekehrt, da diese zwei Merkmale genau entgegengesetzten Zielen dienen. Es ist darüber hinaus vorteilhaft, mehr als zwei Arbeitsfluidreservoirs anzuordnen, wobei nur eine bestimmte Anzahl gleichzeitig erwärmt wird, während die anderen Arbeitsfluidreservoirs abgekühlt werden. Dadurch kann eine langsamere Kühlrate durch eine Zunahme an Kühlzeit ausgeglichen werden.
• In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind ein erster Kolben und ein zweiter Kolben, welche jeweils verschieblich in einem der Arbeitsfluidreservoirs angeordnet sind, ausgelegt, eine Kurbelwelle anzutreiben. Die Vorrichtung zur Nutzung von Strahlungsenergie, besonders bevorzugt Sonnenenergie, kann bevorzugt mechanische Energie erzeugen, welche leicht in andere Energieformen, wie elektrische Energie, umgewandelt werden kann. Prinzipielle Anordnungen von Kolben und einer Kurbelwelle zur Bildung einer Wärmekraftmaschine, wie z. B. eines Sterling-Motors, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
• Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen dargestellt. Einzelne Merkmale oder Eigenschaften jeweiliger Ausführungsformen können ausdrücklich innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert werden.
• Es zeigen:
• 1 – eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
• 2 – eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
• 3 – eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst eine Sammeleinheit 2, welche Strahlung sammelt und zu einer Übertragungseinheit 4 fokussiert, wobei die Übertragungseinheit 4 ein zweites Ende 44 aufweist, welches in die Innenwand eines ersten Arbeitsfluidreservoirs 62 integriert ist. Das erste Arbeitsfluidreservoir 62 ist Teil einer Arbeitseinheit 6 und enthält ein Arbeitsfluid 64. Die Stirnseite des zweiten Endes 44 der Übertragungseinheit 4 umfasst eine Isolationsbeschichtung 46, welche bevorzugt geeignet ist, den Energieverlust zu verringern, welcher durch Infrarotstrahlung vom Inneren des ersten Arbeitsfluidreservoirs 62 bzw. dem Arbeitsfluid 64 verursacht wird, welche die Übertragungseinheit 4 passiert und in die Umwelt gelangt. Zweckmäßigerweise ist die Isolationsbeschichtung 46 für Strahlung kürzerer Wellenlängen als Infrarotstrahlung transparent. Vorteilhafterweise ist das zweite Ende 44 der Übertragungseinheit 4 als Linse geformt, bevorzugt konkav, um die Strahlung im Wesentlichen homogen innerhalb des ersten Arbeitsfluidreservoirs 62 bzw. innerhalb des Arbeitsfluids 64 zu streuen. Zur Erzielung einer besseren Absorptionsrate umfasst das Arbeitsfluid 64 bevorzugt Strahlung absorbierende Partikel, beispielsweise Graphitflocken. Die Sammeleinheit 2 ist bevorzugt ein Spiegel mit einer hohen Reflexionsrate für Sonnenstrahlung. Zum Fokussieren der gesammelten Strahlung umfasst die Sammeleinheit 2 bevorzugt wenigstens eine gekrümmte reflektierende Fläche, bevorzugt in Form eines Parabolspiegels. Wie in 1 dargestellt dient das erste Arbeitsfluidreservoir 62 bevorzugt dem Erwärmen des Arbeitsfluids 64. Das heiße Arbeitsfluid 64 kann anschließend das erste Arbeitsfluidreservoir 62 verlassen und in andere Reservoirs der Arbeitseinheit 6 gelangen, wo es beispielsweise mechanische Mittel antreibt oder abgekühlt wird. Vorteilhafterweise weist das Arbeitsfluid 64 einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, um maximal mögliche Werte mechanischer Arbeit aus bestimmten Temperaturanstiegen des Arbeitsfluids 64 zu erhalten. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, ein flüssiges Arbeitsfluid 64 zu kochen, um das erzeugte Gas zur Durchführung mechanischer Arbeit zu verwenden.
• 2 zeigt eine weiter bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung, wobei die Übertragungseinheit 4 ein Glasfaserkabel 42 umfasst und die Arbeitseinheit 6 ein zweites Arbeitsfluidreservoir 62' umfasst. Ein erstes Ende 43 der Übertragungseinheit 4 ist bevorzugt in einem Brennpunkt der Sammeleinheit 2 angeordnet, um Strahlung hoher Dichte zu empfangen und sie zu dem Glasfaserkabel 42 weiterzuleiten. Wie gezeigt umfasst die Sammeleinheit 2 eine zweite reflektierende Oberfläche, welche in dem ersten Brennpunkt einer ersten, konkav gekrümmten reflektierenden Oberfläche angeordnet ist, wobei das erste Ende 43 der Übertragungseinheit 4 gegenüber der zweiten reflektierenden Oberfläche angeordnet ist. Das erste Ende 43 der Übertragungseinheit könnte auch in einem ersten Brennpunkt gegenüber der ersten gekrümmten reflektierenden Oberfläche der Sammeleinheit 2 angeordnet sein. Zum Zwecke einer besseren Strahlungsleitung innerhalb des Glasfaserkabels 42 ist das erste Ende 43 der Übertragungseinheit 4 als Linse, bevorzugt als konkave Linse, geformt. Das Glasfaserkabel 42 leitet die Strahlung in das erste Arbeitsfluidreservoir 62, um das Arbeitsfluid 64 zu erwärmen. Das Arbeitsfluid 64 treibt einen ersten Kolben 66 an, welcher innerhalb des ersten Arbeitsfluidreservoirs 62 angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist ein zweites Arbeitsfluidreservoir 62' flüssig verbunden mit dem ersten Arbeitsfluidreservoir 62 angeordnet und umfasst Kühlmittel 68, welche ausgelegt sind, das Arbeitsfluid 64 abzukühlen, und einen zweiten Kolben 66'. Um einen oszillierenden Fluss des Arbeitsfluids 64 zwischen dem ersten Arbeitsfluidreservoir 62 und dem zweiten Arbeitsfluidreservoir 62' zu erzielen, sind die Kolben 66 und 66' mechanisch mit einem sich drehenden Befestigungspunkt 69 verbunden. Die bevorzugte Anordnung des ersten und zweiten Arbeitsfluidreservoirs 62 und 62' und der Kolben 66 und 66' ist aus dem Stand der Technik als Stirling-Motor mit Alpha-Konfiguration bekannt und wird daher nicht näher beschrieben.
• 3 zeigt eine weiter bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Übertragungseinheit 4 eine Schaltvorrichtung 45 umfasst und beide, das erste und das zweite Arbeitsfluidreservoir 62 und 62', Kühlmittel 66 umfassen. Die Übertragungseinheit 4 umfasst einen geteilten Punkt, wo ein erster Abschnitt des Glasfaserkabels 42 sich in wenigstens zwei sekundäre Abschnitte des Glasfaserkabels 42 aufteilt, welche jeweils ein zweites Ende 44 umfassen, welches an oder integriert in die Wände der Arbeitsfluidreservoirs 62, 62' angeordnet ist. Die Schaltvorrichtung 45 lenkt abwechselnd die Strahlung zu einem der Arbeitsfluidreservoirs 62, 62. Die Schaltvorrichtung 45 verwirklicht eine bevorzugt kurze Schalt- bzw. Verlagerungszeit, um die Menge an Strahlungsenergie, welche in nicht nützliche Richtungen, d. h. zum Beispiel zurück zu der Sammeleinheit 2, reflektiert wird, zu minimieren. Die Schaltvorrichtung 45 ist beispielsweise ein Spiegel, welcher sich drehend oder translatorisch bewegt. Bevorzugt umfasst die Schaltvorrichtung ein Piezoelement mit sehr kurzer Schaltzeit und einstellbaren Reflexionseigenschaften. Bevorzugt umfasst die Arbeitseinheit mehr als zwei Arbeitsreservoirs, um eine Kühlzeit, welche erwartungsgemäß länger als die Erwärmungszeit ist, zu berücksichtigen. Falls der Kühlprozess des Arbeitsfluids 64 zum Beispiel zweimal so lang wie der Erwärmungsprozess ist, ist es vorteilhaft, drei Arbeitsfluidreservoirs anzuordnen, wobei das Arbeitsfluid in einem erwärmt und in den anderen gekühlt wird. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung 45 ausgelegt, Strahlung zu zwei oder mehr Arbeitsfluidreservoirs gleichzeitig zu lenken.
• Bezugszeichenliste

2

Sammeleinheit

4

Übertragungseinheit

42

Glasfaserkabel

43

erste Ende

44

zweites Ende

45

Schaltvorrichtung

46

Isolationsbeschichtung

6

Arbeitseinheit

62

erstes Arbeitsfluidreservoir

62'

zweites Arbeitsfluidreservoir

64

Arbeitsfluid

66

erster Kolben

66'

zweiter Kolben

68

Kühlmittel

69

Befestigungspunkt

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Nutzung von Strahlung, umfassend eine Sammeleinheit (2), eine Übertragungseinheit (4) und eine Arbeitseinheit (6), wobei die Sammeleinheit (2) wenigstens eine Strahlung reflektierende Oberfläche (22) umfasst, welche ausgelegt ist, Strahlung zu fokussieren und die Strahlung zu der Übertragungseinheit (4) zu lenken, wobei die Übertragungseinheit (4) mit einem ersten Ende (43) und einem zweiten Ende (44) wenigstens einen transparenten Abschnitt umfasst, welcher in eine Wand eines ersten Arbeitsfluidreservoirs bzw. -speichers (62) der Arbeitseinheit (6) integriert ist, wobei das erste Arbeitsfluidreservoir (62) ein Arbeitsfluid (64) umfasst, wobei die Übertragungseinheit (4) derart angeordnet ist, dass sie zur Erwärmung des Arbeitsfluids (64) Strahlung direkt zu dem Arbeitsfluid (64) überträgt, und wobei das zweite Ende (44) als konkave Linse geformt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Arbeitsfluid (64) nur innerhalb der Arbeitseinheit (6) vorgesehen ist oder nur darin fließt.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungseinheit (4) eine im Wesentlichen transparente Wärme-Isolationsbeschichtung (46) umfasst, welche ausgelegt ist, den Abfluss von Wärme von dem Arbeitsfluid (64) an die Umwelt durch die Übertragungseinheit (4) zu verringern.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungseinheit (4) ein Glasfaserkabel (42) umfasst, mit dem ersten Ende (43), welches geeignet ist, Strahlung von der Sammeleinheit (2) zu empfangen, und wobei das erste Ende (43) des Glasfaserkabels (42) bevorzugt linsenförmig ist und ausgelegt ist, die eintreffende Strahlung derart zu brechen, dass im Wesentlichen gerichtete bzw. kollimierte Strahlung in das Glasfaserkabel (42) gelangt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsfluid (64) Strahlung absorbierende Partikel umfasst, welche die Menge an Energie, welche mittels Strahlung zu dem Arbeitsfluid (64) übertragen wird, erhöhen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Arbeitsfluidreservoir (62) wärme-isolierte Wände aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitseinheit (6) ein zweites Arbeitsfluidreservoir (62') umfasst, und wobei wenigstens das zweite Arbeitsfluidreservoir (62') Kühlmittel (68) umfasst, welche ausgelegt sind, Wärme an einen Kühlkörper abzugeben.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Arbeitsfluidreservoirs (62, 62') flüssig bzw. fließend verbunden sind, und wobei das Arbeitsfluid (64) abwechselnd in dem ersten Arbeitsfluidreservoir (62) durch Strahlung erwärmt wird und in dem zweiten Arbeitsfluidreservoir (62') abgekühlt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Übertragungseinheit (4) eine Schaltvorrichtung (45) umfasst, um abwechselnd Strahlung zu dem Arbeitsfluid (64) oder den Arbeitsfluiden (64) in einem der Arbeitsfluidreservoirs (62, 62') zu übertragen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei ein erster Kolben (66) und ein zweiter Kolben (66'), welche jeweils verschieblich in einem der Arbeitsfluidreservoirs (62, 62') angeordnet sind, ausgelegt sind, eine Kurbelwelle anzutreiben.

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