DE102013021496B3

DE102013021496B3 - Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenstrahlung

Info

Publication number: DE102013021496B3
Application number: DE102013021496.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Teske; Joachim Lerche; Kristina Lerche
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-12-19

Abstract

Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (3) mit frontal angeordnetem Windschirm (14), einem zentral angeordnetem Vakuum-Receiver (30), der aus einem oder mehreren Vakuumrohren (23) und einem Vakuum Behälter (32) besteht, die mit einer Prozesstemperatur von ca. 220°C betrieben werden, wobei der evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (3) als doppelwandiges Thermosgefäß aus einem Kreisringblech (7), einer Grundplatte mir Bohrung (8), dem äußeren (6) und inneren spiegelpolierten Kegelmantel (5) besteht, die im Vakuum verschweißt werden, der Reflektor (3) mit 6 × 60° angeordneten Aussteifungen (11) zur Formerhaltung unter Schwerkraftänderung verstärkt ist und wobei diese Aussteifungen (11) an zwei um 180° versetzten Positionen für die Höhenachse (12) verschweißt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenstrahlung, vorzugsweise der direkten Sonneneinstrahlung, der Konzentrierenden Solarthermie. Gegenwärtig existieren eine Reihe von Geräten und Anlagen, die auf Basis der Sonnenstrahlung, Wärme bzw. Strom erzeugen können, das sind im wesentlichen die Linienkonzentratoren mit Parabolrinnen- oder Fresnelkollektoren, die Sonnenturmkraftwerke und die Dish-Sterling-Anlagen.
Während die Linienkonzentratoren und die Sonnenturmkraftwerke sehr hohe Leistungen von einigen Megawatt erzeugen, werden die technisch relativ aufwendigen Dish-Sterling-Anlagen mit etwa 10 Kilowatt pro Anlage für die dezentrale Versorgung eingesetzt.
Um diese Reihe mit einem angepasstem Leistungsbereich zu komplettieren ist eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Vorrichtung mit Leistungen von ca. 2 bis 5 Kilowatt zu schaffen, die besonders für die netzferne und dezentrale Versorgung geeignet ist, wobei auch mehrere Vorrichtungen als Array aufgestellt und betrieben werden können um den Leistungsbereich deutlich zu erweitern.
Als bekannte Lösungen sind die Schriften DE 10 2011 107 581 A1 und DE 10 2008 050 407 A1 zu nennen.
Da die am Receiver erreichbaren Temperaturen vom Konzentrationsfaktor, dem Flächenverhältnis Reflektor zu Receiver abhängt, gibt es bezüglich der Größenverhältnisse, der optischen Qualität und der Formgenauigkeit der beteiligten Funktionsflächen, sowie der Prozesstemperatur zwei prinzipiell unterschiedliche Lösungen. Bei der ersten Lösung werden optisch funktionierende Oberflächen mit sehr hoher Genauigkeit genutzt, damit fokussieren sich alle Strahlen örtlich, punkt- oder linienförmig, diese Lösung liefert sehr hohe Temperaturen die mit relativ aufwendigen Mitteln und Methoden beherrscht werden können. Da allgemein gilt, je höher die Temperatur um so größer der Wärmeverlust, sind zusätzliche Maßnahmen gegen den Energieverlust notwendig. Die Erfindung wählt den anderen Weg, nämlich die Schaffung eines Energiesammlers, der einfache geometrische Formen nutzt, die Genauigkeiten der Fertigung der Funktionsflächen im Millimeterbereich toleriert und schließlich die Temperaturlast am Receiver unter 250°C hält. Diese Lösung reduziert a priori die Wärmeverluste und steigert damit den thermodynamischen Wirkungsgrad, begrenzt die Fertigungs- und Betriebskosten und sichert eine hohe Funktionalität aller Bau- und Funktionsteile für eine Lebensdauer, die deutlich über den existierenden Anlagen liegt, die mit Hochtemperaturen arbeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der die Nachteile der auftretenden Verluste durch Wärmekonvektion und Wärmeleitung deutlich zu reduzieren sind und die Position und Funktion der Bauteile der Vorrichtung so zu optimieren, dass dadurch ein höherer thermodynamischer Wirkungsgrad erreicht wird. Die Lösung sollte die überlicherweise teuren und komplizierten Konstruktionen der existierenden Systeme umgehen können und gleichzeitig hohe Funktionalität und Zuverlässigkeit bei einer langen Lebensdauer mit guten fertigungstechnischen und ökologisch-ökonomischen Eigenschaften aufweisen.
Diese Aufgaben werden mit der Erfindung so gelöst, dass der evakuierte Doppel-Kegelstumpf-Reflektor, dessen Material eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, aus dem inneren und äußeren Kegelmantel, aus dem oben liegenden Kreisringblech und der Grundplatte, die – für die Montage der Bau- und Funktionsteile notwendig sind – als doppelwandiges Thermosgefäß im Vakuum verschweißt wird. Da der Wärmeübergangskoeffizient im Vakuum Null beträgt, ist eine Wärmeleitung von der Innenfläche zur Außenfläche des Reflektors nicht möglich und die auftretende Wärmestrahlung ist als vernachlässigbar zu bezeichnen. Der Einsatz der Vakuum Schweißtechnik (Electron Beam/EB), bei der ein Vakuum von ca. 1 × 10^–6 mbar erforderlich ist, wird für die wichtigen Bauteile der Erfindung, dem evakuierten Reflektor und dem evakuierten Receiver mit Vakuumbehälter und Vakuumrohren eingesetzt, das ermöglicht mit den neuartigen Konstruktionslösungen die Wärmeenergie über definierte Wege mit geringsten Verlusten an die Wärmeübergangszonen zu leiten, um dadurch den thermodynamischen Wirkungsgrad deutlich, gegenüber den herkömmlichen Anlagen, zu verbessern.
Der Receiver, der erfindungsgemäß zentral und senkrecht zur abgelenkten Sonneneinstrahlung ausgerichtet ist, besteht aus einem Vakuumbehälter und ein oder mehreren in ungerader Anzahl angeordneten Vakuumrohren, die auf einem definierten Durchmesser zum Vakuumbehälter miteinander luftdicht verschweißt sind, die Vakuumrohre werden durch diese Anordnung allseitig und optimal aufgeheizt.
Der Vakuumbehälter für die Vakuumrohre besteht aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und wird als doppelwandiges, evakuiertes Thermosgefäß verschweißt, dieses beinhaltet in seinem Innenraum das Wärmeträgermedium und ist direkt über kurze wärmeisolierte Leitungen mit dem Dampfkraftprozess verbunden, dadurch wird der Wärmeverlust durch Konvektion und Wärmeleitung deutlich reduziert. Die Oberseite des Vakuumbehälters wird von einer Montageplatte gebildet, diese wird an der Grundplatte des Reflektors, die eine entsprechend große Bohrung hat, von unten so angeschraubt, dass die Vakuumrohre im Zentrum des evakuierten Reflektors positioniert sind.
Ein Vakuumrohr besteht aus einem Material mit großer Wärmeleitfähigkeit und hohem Absorptionsgrad, die beiden offenen Rohrseiten werden mit Flanschen im Vakuum verschweißt damit ein Thermosgefäß entsteht; an einer Rohrseite werden Wärmeleitbleche geschweißt, um die wärmeabgebende Fläche zu vergrößern und damit den Energieaustausch zu beschleunigen. Ein oder mehrere Vakuumrohre ragen mit den Wärmeleitblechen in den unten liegenden Vakuumbehälter hinein, so dass durch die Wärmeleitung über die Rohrwände und über die Wärmeleitbleche die Wärmeenergie an das Wärmeträgermedium im Vakuumbehälter schnell und nahezu verlustfrei abgegeben werden kann.
Die auf der Vorderfläche der Vakuumrohre auftreffende Sonnenstrahlung, stellt eine prinzipielle Vergrößerung der Reflektorfläche mit voller Apertur dar und wird per Wärmeleitung über die Wände der Vakuumrohre dem Wärmeträgermedium des Vakuumbehälters zusätzlich zur Verfügung gestellt, dies verbessert auch den thermodynamischen Wirkungsgrad der Vorrichtung.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Nutzung eines Windschirmes am großen Durchmesser, dem Strahleingang des Reflektors, welcher die Verluste, die durch erzwungene Konvektion auftreten – z. B. Wind – stark reduziert und dadurch zur Wirkungsgradverbesserung beitragen. Dieser Wärmeverlust kann, abhängig von Windstärke und Richtung sowie den herrschenden Temperaturdifferenzen bis zu einigen 100 W pro Quadratmeter der Reflektorfläche betragen. Um die Wirkung des Windschirmes zu optimieren, können dessen Parameter, wie Höhe, Ablenkwinkel und Luftdurchlässigkeit, an die lokalen Windverhältnisse adaptiert werden.
Als weiterer Vorteil der Erfindung bezüglich der Masse und der Antriebsmomente an dem Achsensystem erweist sich die Lage der Drehachse für die Höhenverstellung der Vorrichtung, wenn diese in der horizontalen Schwerelinie der komplett ausgerüsteten Reflektor-Receiver-Einheit liegt und einen balancierten Zustand aufweist, der kein Gegengewicht erforderlich macht. Durch die Anordnung des relativ schweren Vakuumbehälters, der das Wärmeträgermedium beinhaltet, auf der Rückseite des Reflektor wird die Funktion der Gewichtsverteilung um die Höhenachse und die Gesamtmasse günstig beeinflusst, die auf der Rückseite der Grundplatte des Reflektors montierten Bau- und Funktionsteile sind mit justierbaren Montageplatten ausgerüstet, so dass eine Einstellung des Momenten Gleichgewichtes um die Höhenachse einfach ist.
An Stelle von Vakuumrohren können auch Wärmerohre mit einer entsprechenden Receivervariante, die in den Kreislauf des Wärmeträgermediums integriert ist, eingesetzt werden. Ein Wärmerohr besteht auch aus einem Material mit großer Wärmeleitfähigkeit und hohem Absorptionsgrad, dass an den beiden Rohrseiten offen ist und mit einem unten liegenden Behälter und dem oben liegenden Vakuumbehälter für Wärmerohre luftdicht verschweißt ist und somit einen erweiterten Kreislauf, verglichen mit der Vakuumrohr Variante, mit dem Dampfkraftprozess bildet. In den unteren Behälter wird das im Membranausgleichsgefäss gekühlte Wärmeträgermedium gepumpt, das über die Wärmerohre aufsteigend erhitzt wird dann in den oberen Vakuumbehälter – einem Thermosgefäß – gelangt und über die zusätzlich angeschweißte Wärmeleitbleche die Energie schnell und nahezu verlustlos an das Wärmeträgermedium im Vakuumbehälter abgibt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen die Zeichnungen:
in 1 die Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenstrahlung, vorrangig der Konzentrierenden Solarthermie mit einem evakuierten Doppel-Kegelstumpf-Reflektor, einem Vakuumrohr Receiver und einer senkrechten Zweiachsen Montierung im Querschnitt in schematischer Darstellung
in 2 die Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenstrahlung, vorrangig der Konzentrierenden Solarthermie mit einem evakuierten Doppel-Kegelstumpf-Reflektor, einem Wärmerohr Receiver und einer senkrechen Zweiachsen Montierung im Querschnitt in schematischer Darstellung
in 3a den evakuierten Doppel-Kegelstumpf-Reflektor mit Kreisringblech und Grundplatte mit Bohrung für die Montage des Vakuumrohr Receivers; als Thermosgefäß verschweißt, im Querschnitt in schematischer Darstellung
in 3b den evakuierten Doppel-Kegelstumpf-Reflektor mit Kreisringblech und Grundplatte ohne Bohrung für die Montage des Wärmerohr Receivers; als Thermosgefäß verschweißt, im Querschnitt in schematischer Darstellung
in 4a den evakuierten Doppel-Kegelstumpf-Reflektor als Thermosgefäß für die Montage des Vakuumrohr Receivers, mit Windschirm und mit den verschweißten Aussteifungen für die Reflektorstabilität und die Höhenachsenlagerung, im Querschnitt in schematischer Darstellung
in 4b den evakuierten Doppel-Kegelstumpf-Reflektor als Thermosgefäß für die Montage des Wärmerohr Receivers, mit Windschirm und mit den verschweißten Aussteifungen für die Reflektorstabilität und die Höhenachsenlagerung, im Querschnitt in schematischer Darstellung
in 5a das Schema der Anordnung von einem zentral angeordnetem Vakuumrohr als Beispiel für die Sonneneinstrahlung vom Reflektor; im Querschnitt
in 5b das Schema der Anordnung von 3 Wärmerohren als Beispiel der optimalen Nutzung der Sonneneinstrahlung vom Reflektor; im Querschnitt
in 6 die schematische Darstellung eines Vakuumrohr Receivers mit Vakuumrohr und Wärmeleitblechen im Vakuumbehälter; komplett als Thermosgefäße luftdicht verschweißt; im Querschnitt
in 7 die schematische Darstellung eines Wärmerohr Receivers mit drei 3 um 120° versetzte Wärmerohren und Wärmeleitblechen im oberen Vakuumbehälter; sowie drei Wärmerohre am unteren Behälter; komplett luftdicht verschweißt; im Querschnitt
in 8 die schematische Darstellung der Vakuumteile, der Wärmeübergangszonen und des Schattenkreises des Reflektors; im Querschnitt
Bezugszeichenliste

1: Sonnenstrahlung; senkrecht, parallel
2: Vakuum
3: evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor für die Montage des Vakuumrohr Receivers
4: evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor für die Montage des Wärmerohr Receivers
5: innerer Kegelmantel
6: äußerer Kegelmantel
7: Kreisringblech
8: Grundplatte mit Bohrung für die Montage des Vakuumrohr Receivers
9: Grundplatte ohne Bohrung für die Montage des Wärmerohr Receivers
10: Symmetrieachse des Reflektors
11: Aussteifungen für Reflektor
12: Aussteifungen für Höhenachsenlagerung
13: Anschraubkreis für Windschirm
14: Windschirm
15: Höhenachse
16: Höhenachsenlagerung
17: Höhenachsenantrieb
18: Azimutachse der Vorrichtung
19: Azimutachsenlager; Azimutachsenantrieb
20: Gabelmontierung
21: Membranausgleichsgefäss mit Kühlung; Pumpe; justierbare Montageplatte
22: Turbine mit Generator; justierbare Montageplatte
23: Vakuumrohr; Querschnitt
24: Brennlinie
25: Vakuumraum
26: Flansch
27: konvergierende Strahlen
28: Wärmerohr 28.1; 28.2; 28.3; Querschnitt
29: divergierende Strahlen
30: Vakuum Receiver mit Montageflansch
31: Wärmeleitbleche
32: Vakuumbehälter für Vakuumrohr
33: Zulauf
34: Ablauf
35: Außenwand; Vakuumbehälter
36: Innenwand; Vakuumbehälter
37: Isolationsplatte; thermisch
38: Wärmerohr Receiver mit Montageflansch
39: Vakuumbehälter für Wärmerohre
40: unterer Behälter
41: Gegengewicht
42: Schattenkreis des Reflektors

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In 1 ist eine schematische Übersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die alle wesentlichen Teile der Erfindung, wie den evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor für die Montage des Vakuum Receivers 3, den Vakuum Receiver mit Montageflansch 30, der aus dem Vakuumrohr 23 und dem Vakuumbehälter für Vakuumrohr 32 besteht, dargestellt, sowie die Verbindung zu einer senkrecht ausgerichteten zweiachsige Montierung, diese wird über die beidseitige Höhenachsenlagerung 16 und den Höhenachsenantrieb 17 am Reflektor 3 und einer Gabelmontierung 20 realisiert. Die Montierung ist azimutal ausgerichtet, d. h. sie hat eine senkrechte Azimutachse 18 mit Azimutachsenlager und Azimutachsenantrieb 19, eine dazu rechtwinklig ausgerichtete Höhenachse 15, über diese beiden Achsen wird die Vorrichtung exakt auf die Sonne eingestellt und astronomisch nachgeführt, der damit erzielte Energiezugewinn, gegenüber einer starren Südorientierung, liegt bei 30% bis 40%.
Der evakuierte Doppel-Kegelstumpf-Reflektor 3 hat einen großen Durchmesser von ca. 3,5 m, eine Höhe von ca. 1,2 m und der Kegelwinkel beträgt 90°, damit wird die auf den Reflektor 3 senkrecht und parallel einfallende Sonnenstrahlung 1 rechtwinklig über den inneren Kegelmantel 5 des evakuierten Reflektors 3 auf den Vakuumreceiver mit Montageflansch 30 reflektiert. Um die Stabilität des Reflektors 3 in den möglichen Schwenkpositionen zu sichern, wird der Reflektor 3 mit 6 × 60° angeordneten Aussteifungen für den Reflektor 11 verstärkt, diese tragen an zwei, um 180° versetzten Stellen die Aussteifungen für die Höhenachsenlagerung 12. Das obere Kreisringblech 7 wird auch als Anschraubkreis 13 für den Windschirm 14 genutzt. Der Windschirm 14 kann, bei Bedarf, in seinen wesentlichen Parametern, wie Höhe, Ablenkwinkel und Durchlässigkeit an die jeweiligen lokalen Windverhältnisse angepasst werden.
An der Grundplatte mit Bohrung 8 des Reflektors 3 sind der Vakuumreceiver mit Montageflansch 30 über eine thermische Isolationsplatte 37 zentralsymmetrisch angeschraubt, die Drucksteuerung des Wärmeträgermediums, das Membranausgleichsgefäss mit Kühlung und Pumpe 21, sowie die Turbine mit Generator 22 sind mit justierbaren Montageplatten an der Grundplatte mit Bohrung 8 so montiert, dass die Höhenachse 15 quasi in der horizontalen Schwerelinie der komplett ausgerüsteten Vorrichtung liegt und nur geringe Justiereinstellungen zur Herstellung Balancezustandes notwendig sind.
Die auf der Vorderfläche des Vakuum Receivers 30, nämlich dem Vakuumrohr 23 auftreffende Sonnenstrahlung 1, ist als prinzipielle Vergrößerung des Reflektors 3 mit voller Apertur anzurechnen, d. h., dass der Vakuum Receivers 30, trotz zentraler Lage durch seine Funktionalität den Nachteil der Abschattung vermeiden kann. Diese Energie wird per Wärmeleitung über die Vorderfläche Flansch 26, die Wand des Vakuumrohres 23 und über die Wärmeleitbleche 31 dem Wärmeträgermedium des Vakuumbehälters 32, der mit einem Zulauf 33 und einem Ablauf 34 ausgerüstet ist, zusätzlich zur Verfügung gestellt, dies verbessert auch den Wirkungsgrad der Vorrichtung.
Durch die exakte Nachführung der Vorrichtung nach dem jeweiligen Stand der Sonne, existiert hinter dem evakuiertem Reflektor 3 ein ständiger Schattenkreis 42, der eine deutliche Temperaturdifferenz zwischen dem Innenraum des Reflektors 3 und dem Vakuumbehälter für Vakuumrohr 32, auf der Rückseite des Reflektors 3, aufweist, zumal beide evakuierte Einheiten keine Wärmestrahlung generieren. Die deutliche Temperaturdifferenz im Schattenkreis 42 führt zu einer Minderbelastung durch Temperatur der dort montierten Bauteile, wie der Drucksteuerung, des Membranausgleichsgefässes mit Kühlung und Pumpe 21, sowie der Turbine mit Generators 22 und stellt einen zusätzlichen Beitrag zur Verbesserung der Energiebilanz dar, zumal diese Aggregate die Stromerzeugung der Vorrichtung nutzen und einen Verbrauch von ca. 10% bis 12% während des normalen Betriebszustandes nicht überschreiten sollten.
In 2 ist eine schematische Übersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung ähnlich der 1 dargestellt, aber mit der Variante, dass der Vakuumrohr Receiver mit Montageflansch 30 durch einen Wärmerohr Receiver mit Montageflansch 38 ersetzt wird, was Auswirkungen auf den Kreislauf des Wärmeträgermediums, auf die Gewichts- und Balanceverhältnisse und damit auch auf die Lage und Belastung des Achsensystems mit Höhen- und Azimutachse hat.
In 2 sind alle wesentlichen Teile der Erfindung, wie der evakuierte Doppel-Kegelstumpf-Reflektor für die Montage des Wärmerohr Receivers 4, der Wärmerohr Receiver mit Montageflansch 38, der aus den 3 Wärmerohren 28.1; 28.2; 28.3, dem Vakuumbehälter für Wärmerohre 39 mit Ablauf 34 und dem unteren Behälter 40 mit Zulauf 33 besteht, darstellt, sowie die Verbindung zu einer senkrecht ausgerichteten zweiachsigen Montierung, diese wird über die Höhenachsenlagerung 16 am Reflektor 4 und einer Gabelmontierung 20 realisiert. Die Montierung ist azimutal ausgerichtet, d. h. sie hat eine senkrechte Azimutachse 18 mit Azimutachsenlager und Azimutachsenantrieb 19, eine dazu rechtwinklig ausgerichtete Höhenachse 15, über diese beiden Achsen wird die Vorrichtung exakt auf die Sonne eingestellt und astronomisch nachgeführt, der damit erzielte Energiezugewinn, gegenüber einer starren Südorientierung, liegt bei 30% bis 40%.
Der evakuierte Doppel-Kegelstumpf-Reflektor 4 hat einen großen Durchmesser von ca. 3,5 m, eine Höhe von ca. 1,2 m und der Kegelwinkel beträgt 90°, damit wird die senkrecht und parallel einfallende Sonnenstrahlung 1 rechtwinklig über den inneren Kegelmantel 5 des evakuierten Reflektors 4 auf den Wärmerohr Receiver mit Montageflansch 38 reflektiert. Um die Stabilität des Reflektors 4 in den möglichen Schwenkpositionen zu sichern, wird der Reflektor 4 mit 6 × 60° angeordneten Aussteifungen für den Reflektor 11 verstärkt, diese tragen an zwei, um 180° versetzten Stellen, die Aussteifungen für die Höhenachsenlagerung 12, dabei ist für die Höhenachse 15, wegen den veränderten Gewichtsbedingungen, ein zusätzliches Gegengewicht 41 notwendig. Das obere Kreisringblech 7 wird auch als Anschraubkreis 13 für den Windschirm 14 genutzt. Der Windschirm 14 kann, bei Bedarf, in seinen wesentlichen Parametern, wie Höhe, Ablenkwinkel und Durchlässigkeit an die jeweiligen lokalen Windverhältnisse angepasst werden.
An der Grundplatte ohne Bohrung 9 des Reflektors 4 sind der Wärmerohr Receiver mit Montageflansch 38 über eine thermische Isolationsplatte 37 auf der Innenseite des Reflektors 4 montiert, deshalb üben der untere Behälter 40, die Wärmerohre 28 und der Vakuumbehälter für Wärmerohre 39 mit dem beinhalteten Wärmeträgermedium von ca. 700 Liter ein großes Moment um und auf die Höhenachse aus. Die Drucksteuerung, das Membranausgleichsgefäss mit Kühlung und Pumpe 21, die Turbine mit Generator 22 sowie das notwendige Gegengewicht 41 zur Sicherung der Balance sind auf der Rückseite der Grundplatte ohne Bohrung 9 des Reflektors 4 montiert. Da die Last und das Moment auf die Höhenachse 15 zu groß werden, wird die Höhenachsenlage um den konstruktiv notwendigen Betrag am Reflektor 4 soweit verschoben, dass das zusätzliches Gegengewicht 41, gemeinsam mit den justierbaren Montageplatten der Bauteile 21 und 22, das Moment um die Höhenachse 15 ausgleichen kann.
Die auf die Vorderfläche des Wärmerohr Receiver mit Montageflansch 38, also auf der Frontfläche des Vakuumbehälter für Wärmerohre 39 und die auf die Seitenwand des unteren Behälters 40 auftreffende Sonnenstrahlung 1, ist prinzipiell als eine Vergrößerung des Reflektors zur vollen Apertur anzurechnen, d. h., dass der Wärmerohr Receiver 38, trotz zentraler Lage durch seine Funktionalität den Nachteil der Abschattung vermeiden kann. Diese Energie wird per Wärmeleitung über die Außenwand 35 vom Vakuumrohrbehälter für Wärmerohre 39, über die Wand des unteren Behälters 40 und den 3 Stück Wärmerohren 28.1; 28.2; 28.3 mit deren Wärmeleitbleche 31, an das Wärmeträgermedium im Vakuumbehälter für Wärmerohre 39 zusätzlich zur Verfügung gestellt, dies verbessert auch den Wirkungsgrad der Vorrichtung.
Durch die exakte Nachführung der Vorrichtung nach dem jeweiligen Stand der Sonne, existiert hinter dem evakuiertem Reflektor 4 ein ständiger Schattenkreis 42, der eine deutliche Temperaturdifferenz zwischen dem Innenraum des Reflektors 4 und der Rückseite des Reflektors 4, aufweist, zumal der evakuierte Reflektor 4 keine Wärmestrahlung generiert und der untere Behälter 40 thermisch durch eine Isolierplatte 37 getrennt ist. Die deutliche Temperaturdifferenz im Schattenkreis des Reflektors 42 führt zu einer Minderbelastung durch Temperatur der dort montierten Bauteile, wie der Drucksteuerung, des Membranausgleichsgefässes mit Kühlung und Pumpe 21, sowie der Turbine mit Generators 22 und stellt einen zusätzlichen Beitrag zur Verbesserung der Energiebilanz dar, zumal diese Aggregate die Stromerzeugung der Vorrichtung nutzen und einen Verbrauch von ca. 10% bis 12% während des normalen Betriebszustandes nicht überschreiten sollten.
Die 3a zeigt den schematisch Aufbau des evakuierte Doppel-Kegelstumpf-Reflektor 3, bestehend aus vorgefertigten und gebogenen Stahlblechen für den inneren Kegelmantel 5 und für den äußeren Kegelmantel 6, beide sind mit der Grundplatte mit Bohrung für die Montage des Vakuumrohr Receivers 8 und mit dem oben liegenden Kreisringblech 7 stabil im Vakuum verschweißt, so dass ein evakuiertes Thermosgefäß entsteht. Diese Teile werden mit EB (Electron Beam) Schweißen in geeignet großen Vakuumkammern verschweißt, die Grundplatte 8 und das Kreisringblech 7 schließen den evakuierten Raum des Reflektors mit einem Vakuum 2 von ca. 1 × 10^–6 mbar ab. Die Innenfläche des Reflektor ist spiegelpoliert und besitzt über einen langen Zeitraum ein gutes Reflexionsvermögen von ca. 95%.
Falls Reflektoren mit Durchmessern deutlich über 3,5 m notwendig sind, können diese auch durch Segmente in Form von evakuierten Reflektorschalen über Flanschverbindungen realisiert werden, wobei auf dem oberen Kreisringblech 7 immer der Anschraubkreis 13 für die Montage des Windschirmes 14 vorbereitet wird.
Die 3b zeigt den schematisch Aufbau des evakuierte Doppel-Kegelstumpf-Reflektor 4, bestehend aus vorgefertigten und gebogenen Stahlblechen für den inneren Kegelmantel 5 und für den äußeren Kegelmantel 6, beide sind mit der Grundplatte ohne Bohrung für die Montage des Wärmerohr Receivers 9 und mit dem oben liegenden Kreisringblech 7 stabil im Vakuum verschweißt, so dass ein evakuiertes Thermosgefäß entsteht. Diese Teile werden mit EB (Electron Beam) Schweißen in geeignet großen Vakuumkammern verschweißt, die Grundplatte ohne Bohrung 9 und das Kreisringblech 7 schließen den evakuierten Raum des Reflektors mit einem Vakuum 2 von ca. 1 × 10^–6 mbar ab. Die Innenfläche des Reflektor ist spiegelpoliert und besitzt über einen langen Zeitraum ein gutes Reflexionsvermögen von ca. 95%.
Die 4a zeigt in Ergänzung der 3a die schematische Darstellung der Aussteifungen für den Reflektor 11 und die Aussteifungen für die Höhenachsenlagerung 12 sowie die Lage des Anschraubkreises 13 für den Windschirm 14. Für die Stabilität des Reflektors werden 6 Stück Aussteifungsbleche bzw. -rohre 11 um 6 × 60° = 360° eingesetzt, diese werden mit der Grundplatte mit Bohrung für die Montage des Vakuumrohr Receivers 8 und dem Kreisringblech 7 verbunden; an zwei, um 180° versetzte Positionen werden die Aussteifungen für die Höhenachsenlagerung 12 verschweißt. Das oben liegende Kreisringblech 7 wird als Anschraubkreis 13 für die Montage des Windschirmes 14 genutzt, wobei der Windschirm unterschiedliche, an die lokalen Windbedingungen angepasste, Konfigurationen haben kann. Die Höhenachse 15 ist in der horizontalen Schwerelinie der komplett ausgerüsteten Vorrichtung angeordnet.
Die 4b zeigt in Ergänzung der 3b die schematische Darstellung der Aussteifungen für den Reflektor 11 und die Aussteifungen für die Höhenachsenlagerung 12 sowie die Lage des Anschraubkreises 13 des Windschirmes 14. Für die Stabilität des Reflektors werden 6 Stück Aussteifungsbleche bzw. -rohre 11 um 6 × 60° = 360° eingesetzt, diese werden mit der Grundplatte ohne Bohrung für die Montage des Wärmerohr Receivers 9 und dem Kreisringblech 7 verbunden; an zwei, um 180° versetzte Positionen werden die Aussteifungen für die Höhenachsenlagerung 12 verschweißt. Das oben liegende Kreisringblech 7 wird als Anschraubkreises 13 für die Montage des Windschirmes 14 genutzt, wobei der Windschirm unterschiedliche, an die lokalen Windbedingungen angepasste, Konfigurationen haben kann. Die Höhenachse 15 wird möglichst in der Nähe der horizontalen Schwerelinie der komplett ausgerüsteten Vorrichtung angeordnet, um die notwendige Masse eines Gegengewichts 41 zu reduzieren.
Die 5a zeigt die schematische Anordnung des Querschnittes eines Vakuumrohres 23 mit z = 1, dass in der Symmetrieachse 10 des Reflektor 3 liegt und allseitig von den konvergierenden Strahlen 27 aufgeheizt wird. Durch die Toleranzen der Kreiskegelform des Reflektors 3 wird die Sonnenstrahlung 1 quasi in einem zentralen Fokuslinienvolumen fokussiert, der gewählte Durchmesser des Vakuumrohres 23 muss größer als der Durchmesser des Fokuslinienvolumens sein, um eine optimale Nutzung der Sonnenstrahlung 1 zu gewährleisten. Das Vakuumrohr 23 wird, um einen guten Wirkungsgrad des Receivers zu erreichen, z. B. mit TiNOX (Titannitrit und Titanoxid) beschichtet, diese Schicht zeigt Werte von 95% für die Absorption und 5% für die Emission.
Die 5b zeigt die schematische Anordnung von 3 Wärmerohren 28.1; 28.2; 28.3 im Querschnitt, die in der Symmetrieachse 10 vom Reflektor 4 liegen als Beispiel für die optimalen Nutzung Sonnenstrahlung 1. Im vorliegenden Beispiel bei 3 Rohren z = 3 ist die Einstrahlung in alternierende 6 × 60°-Sektoren aufzuteilen; in 3 × 60° konvergierende Strahlung 27 und 3 × 60° divergierende Strahlung 29. Da der Reflektor 4 durch die Kreiskegelform die Sonnenstrahlung 1 quasi in zentralen Linien fokussiert, ist die Bestrahlung bei einer ungeraden Anzahl der Rohre vor und hinter den Fokuslinien, einem Fokuslinienvolumen, gegeben. So erhält z. B. das Rohr 28.1, direkt vom Reflektor die konvergierenden Strahlen 27 eines 60°-Sektors und von dem gegenüberliegenden 60°-Sektor, also zwischen den Wärmerohren 28.2 und 28.3, das Licht der divergierenden Strahlen 29, da diese den Fokuslinienbereich bereits passiert haben. Dieses Prinzip gilt für alle mit ungerader Zahl ab z = 3; 5; 7 usw. angeordneten Rohren von Receivervarianten. Die Wärmerohre 28.1; 28.2; 28.3 werden, um einen guten Wirkungsgrad des Receivers zu erreichen, z. B. mit TiNOX (Titannitrit und Titanoxid) beschichtet, diese Schicht zeigt Werte von 95% für die Absorption und 5% für die Emission.
In 6 wir ein kompletter Vakuum Receiver mit Montageflansch 30 im Querschnitt schematisch dargestellt, der aus dem Vakuumrohr 23 und dem Vakuumbehälter für Vakuumrohr 32 besteht, dabei ist wegen der Einhaltung der Vakuumeigenschaften ein genau festgelegter Arbeitsablauf notwendig. Das Vakuumrohr 23 wird komplett aus einem geeigneten, gut wärmeleitenden Material gefertigt und hat einen Durchmesser von ca. 1 m und eine Länge von ca. 1,5 m, das Rohr wird an beiden Öffnungen mit eingepassten Flanschen 26 mittels EB verschweißt, somit entsteht der Vakuumraum 25 mit einem Vakuum 2 von ca. 1 × 10^–6 mbar. Die Wärmeleitfähigkeit der Wand des Vakuumrohres z. B. aus einer Kupferlegierung liegt für 200°C bei etwa 350 W/m K, solche Parameter und das Vakuum garantieren eine schnelle Wärmeleitung und durch die mit EB verschweißten Wärmeleitbleche 31 gleichen Materials ist der Wärmeübergang zum Wärmeträgermedium im Vakuumbehälter 32 nahezu verlustlos. Der Vakuumbehälter 32 besteht aus einer Außenwand 35 und einer Innenwand 36, dazwischen befindet sich das Vakuum 2 mit ca. 1 × 10^–6 mbar, beide Wände sind an einen Montageflansch mit EB geschweißt, damit entsteht der Vakuumbehälter mit Montageflansch 32, der mittels thermischer Isolierplatte 37 vom Reflektor 3 getrennt wird. Der Vakuumbehälter 32 wird aus einem Material mit geringer thermischer Wärmeleitfähigkeit gefertigt und hat ein Fassungsvermögen von ca. 150 bis 200 Liter; an den geeigneten Stellen befinden sich die Anschlüsse von Zulauf 33 und Ablauf 34, für die Zirkulation des Wärmeträgermediums. Das Vakuumrohr 23 wird im Bereich der Sonnenstrahlung 1, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, z. B. mit TiNOX (Titannitrit und Titanoxid) beschichtet, diese Schicht zeigt Werte von 95% für die Absorption und 5% für die Emission.
In 7 wir ein kompletter Wärmerohr Receiver mit Montageflansch 38 im Querschnitt schematisch dargestellt, der aus den 3 Stück Wärmerohren 28.1; 28.2; 28.3, dem Vakuumbehälter für Wärmerohre 39 und unteren Behälter 40 mit dem angeschweißtem Montageflansch besteht, alle diese Teile des Wärmerohr Receivers 38, der Montageflansch ausgenommen, bestehen aus Material mit großer Wärmeleitfähigkeit um die Energie schnell in das zirkulierende Wärmeträgermedium zu übertragen. Die Wärmerohre 28.1; 28.2; 28.3 haben einen Durchmesser von ca. 0,34 m und eine Länge von Ca. 1,3 m, die Rohre werden an den unteren Behälter 40, der auch den Zulauf 33 für das Wärmeträgermedium hat und mit dem Vakuumbehälter für Wärmerohre 39, der aus Außenwand 35, Innenwand 36 mit eingeschlossenem Vakuum 2 und dem Ablauf 34 besteht, verschweißt. Die drei Öffnungen der Wärmerohre ragen ca. 0,2 m in den Vakuumbehälter für Wärmerohre 39 hinein und besitzen für den schnellen Wärmeübergang EB angeschweißte Wärmeleitbleche 31, die Wärmerohre 28.1; 28.2; 28.3 sind durch EB Schweißen mit dem Vakuumbehälter 39 und unteren Behälter 40 verbunden.
Der komplette Wärmerohr Receiver mit Montageflansch 38 wird, der Montageflansch ausgenommen, um einen guten Wirkungsgrad des Receivers zu erreichen, z. B. mit TiNOX (Titannitrit und Titanoxid) beschichtet, diese Schicht zeigt Werte von 95% für die Absorption und 5% für die Emission. Um den Reflektor 4 thermisch vom Wärmerohr Receiver mit Montageflansch 38 zu trennen, wird eine thermische Isolierplatte 37 genutzt.
In 8 wird das Wirkschema der Vakuumteile, der Wärmeübergangszonen und des Schattenkreises des Reflektors 3 im Querschnitt dargestellt. Die Sonnenstrahlung 1 trifft durch die exakte astronomische Nachführung immer senkrecht auf den Vakuum Reflektor 3, die erste Wärmeübergangszone befindet sich zwischen Vakuum Reflektor 3 und Vakuumrohr 23, auf das die Wärmestrahlen reflektiert werden, eine mögliche erzwungene Konvektion wird in dieser Zone vom Windschirm 14 deutlich reduziert und schützt so vor Wärmeverlusten. Der evakuierte Reflektor 3 reflektiert die Wärmestrahlung, hat aber auf Grund des Vakuums keine Wärmeleiteigenschaft, so kann ca. 95% der Strahlung vom Vakuumrohr absorbiert werden und wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, dem innenliegenden Vakuum und durch die Wärmeleitbleche wird die Energie schnell und nahezu verlustlos in den Vakuumbehälter 32 mit dem Wärmeträgermedium, also in die zweite Wärmeübergangszone, transportiert. Da sich das erhitzte Wärmeträgermedium in einem Vakuumbehälter 32 mit einer thermischen Isolierplatte befindet, sind die Wärmeverluste vernachlässigbar und betragen nur wenige Prozent. Diese Tatsache ist auch vorteilhaft für die im Schattenkreis 42 des Reflektors 3 montierten Bauteile, da kaum Wärmeverluste am Vakuumbehälter 32 auftreten, welche die Temperatur im Schattenkreis 42 erhöhen könnten. Diese Anordnung von evakuiertem Reflektor 3 mit Windschirm 14, von Vakuumrohr 23 und Vakuumbehälter 32, zeigt die Kanalisierung der Wärmeenergie in zwei definierte Wärmeübergangszonen, die durch die Wirkung und Anordnung der Vakuum Bauteile und des Windschirmes 14, weitestgehend von Wärmeverlusten durch Wärmeleitung und Konvektion geschützt sind.
Zitierte Patentliteratur unter [0004]:

– DE 10 2011 107 581 A1
– DE 10 2008 050 407 A1

Claims

Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (3) mit frontal angeordnetem Windschirm (14), einem zentral angeordnetem Vakuum-Receiver (30), der aus einem oder mehreren Vakuumrohren (23) und einem Vakuum Behälter (32) besteht, die mit einer Prozesstemperatur von ca. 220°C betrieben werden, wobei der evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (3) als doppelwandiges Thermosgefäß aus einem Kreisringblech (7), einer Grundplatte mir Bohrung (8), dem äußeren (6) und inneren spiegelpolierten Kegelmantel (5) besteht, die im Vakuum verschweißt werden, der Reflektor (3) mit 6 × 60° angeordneten Aussteifungen (11) zur Formerhaltung unter Schwerkraftänderung verstärkt ist und wobei diese Aussteifungen (11) an zwei um 180° versetzten Positionen für die Höhenachse (12) verschweißt sind.
Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreisringblech (7) in vorteilhafter Position über den Anschraubkreis (13) den Windschirm (14) aufnimmt, der durch Veränderung seiner Hauptparameter Höhe, Ablenkwinkel und Winddurchlässigkeit an die lokalen Windbedingungen adaptiert wird.
Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite der Grundplatte mir Bohrung (8) der Vakuum Receiver mit Montageflansch (30) über eine thermische Isolationsplatte (37) zentralsymmetrisch angeschraubt wird und auf der Rückseite der Grundplatte mit Bohrung (8) eine Drucksteuerung, ein Membranausgleichsgefäß mit Kühlung und Pumpe (21), sowie eine Turbine mit Generator (22) mittels justierbarer Montageplatten so montiert sind, dass eine Höhenachse (15) in der horizontalen Schwerelinie der komplett ausgerüsteten Vorrichtung liegt.
Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumrohr (23) mit Wärmeleitblechen (31) durch eine zentrale Bohrung eines steifen Montageflansches (26) ragt und verschweißt ist, und wobei der Raum zwischen Montageflansch und Innenwand (36) eine zweite definierte Wärmeübergangszone bildet, in der das erhitzte Wärmeträgermedium zirkuliert.
Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine exakte Nachführung nach dem jeweiligen Stand der Sonne über eine senkrechte Azimutachse (18) mit Azimutlager und Azimutachsenantrieb (19) und der rechtwinklig dazu ausgerichteten Höhenachse (15) mit zweifacher Höhenachsenlagerung (16) am Reflektor (3) und dem Höhenachsenantrieb (17) über die Gabelmontierung erfolgt.
Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (4) mit frontal angeordnetem Windschirm (14) einem zentral angeordnetem Wärmerohr Receiver mit Montageflansch (38), der an einer Grundplatte ohne Bohrung (9) des Reflektors (4) auf der Innenseite des Reflektors (4) über eine thermische Isolierplatte (37) montiert wird, wobei der evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (4) als doppelwandiges Thermosgefäß aus einem Kreisringblech (7), einer Grundplatte ohne Bohrung (9), dem äußeren (6) und innen spiegelpolierten Kegelmantel (5) besteht, die im Vakuum verschweißt werden, der Reflektor (4) mit 6 × 60° angeordneten Aussteifungen (11) zur Formerhaltung unter Schwerkraftänderung verstärkt ist und wobei diese Aussteifungen (11) an zwei um 180° versetzten Positionen für die Höhenachsenlagerung (12) verschweißt sind.
Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grundplatte ohne Bohrung (9) folgende Bauteile angeordnet sind: ein unterer Behälter (40), Wärmerohre (28.1; 28.2; 28.3), ein Vakuumbehälter für Wärmerohre (39) mit dem beinhalteten Wärmeträgermedium von ca. 700 Litern, eine Drucksteuerung, ein Membranausgleichsgefäß mit Kühlung und Pumpe (21), eine Turbine mit Generator (22), ein Gegengewicht (41) zur Sicherung der Balance, das das Moment um die Höhenachse (15) ausgleicht.
Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (4) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei Wärmerohre (28.1; 28.2; 28.3) in der Symmetrieachse des Reflektors (10) positioniert sind, und eine optimale Bestrahlung bei einer ungeraden Anzahl der Rohre ab z = 3; 5; 7 usw. möglich ist, vorausgesetzt der Durchmesser des Rohres oder der Rohre ist größer als der Durchmesser des Brennlinienvolumens.
Evakuierter Doppel-Kegelstumpf-Reflektor (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine exakte Nachführung nach dem jeweiligen Stand der Sonne über eine senkrechte Azimutachse (18) mit Azimutlager und Azimutachsenantrieb (19) und der rechtwinklig dazu ausgerichteten Höhenachse (15) mit zweifacher Höhenachsenlagerung (16) am Reflektor (4) und dem Höhenachsenantrieb (17) über die Gabelmontierung erfolgt.