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Die Erfindung bezieht sich auf eine Solar-Stirling-Maschine, umfassend einen Gasraum, der mit einem Arbeitsgas gefüllt ist, und einen Wärmetauscher, der in dem Gasraum für einen Solarstrahl erreichbar angeordnet ist, um das auftreffende Licht in Wärme umzuwandeln.
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Der ideale Stirling-Prozess umfasst eine isotherme Kompression mit Wärmeabfuhr nach außen sowie Arbeitszufuhr von außen, eine isochore innere Wärmezufuhr, eine anschließende isotherme Expansion mit Wärmezufuhr von außen und Arbeitsabfuhr nach außen sowie schließlich eine isochore innere Wärmeabfuhr. Als Stirling-Maschinen werden alle Arbeitsmaschinen verstanden, welche unabhängig von der mechanischen Umsetzung einen solchen Kreisprozess zumindest annähernd verwirklichen.
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Bei einer Solar-Stirling-Maschine wird zur Wärmezufuhr Sonnenenergie eingesetzt.
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Sogenannte Dish-Stirling-Systeme umfassen einen konkaven parabolischen Sonnenkollektor, einen Empfänger und eine Stirling-Maschine, an die ein Generator angeschlossen ist. Über den Empfänger wird das vom Sonnenkollektor eingefangene und konzentrierte Sonnenlicht, im Folgenden auch als Solarstrahl bezeichnet, in die Stirling-Maschine eingeleitet, wo die Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Energie erfolgt. Der Empfänger kann als sogenannter Rohrreceiver ausgebildet sein, bei dem der Solarstrahl auf Rohre trifft, durch welche das Arbeitsgas strömt. Ferner sind Flüssigmetall-Receiver bekannt, bei denen sich an der Rückseite der Absorberoberfläche flüssiges Metall befindet, welches durch das konzentrierte Sonnenlicht verdampft. Der Dampf überstreicht dabei Erhitzerrohre der Stirling-Maschine und gibt dabei soviel Wärme an diese ab, dass er wieder kondensiert.
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Eine Solar-Stirling-Maschine der eingangs genannten Art ist in
DE 44 29 602 A1 beschrieben. Diese weist einen Empfänger auf, der als topfförmiges Quarzfenster mit nach außen verspiegelten Wänden und einem gewölbten durchsichtigen Boden ausgebildet ist. Das Quarzfenster ist über einem Erhitzer der Solar-Stirling-Maschine angeordnet und bildet mit einer Gehäuseaußenwand einen Ringspalt, der die Verlängerung der Verbindungsleitung zum Erhitzer bildet. Im erhitzernahen Teil des Ringspalts findet die annähernd isotherme Expansion des Stirling-Prozesses statt. Der Topf ist dabei so ausgebildet, dass das einfallende Licht gleichmäßig auf die ebene Oberfläche des Erhitzers verteilt wird.
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Der Erhitzer muss hohen Temperaturen standhalten und die eingestrahlte Wärme an das Arbeitsgas abgeben können.
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Aus
EP 2 434 244 A2 ist bekannt, einen Wärmetauscher aus Glas als Regenerator einzusetzen, welcher temporär die Wärme eines durch diesen oszillierend hindurchtretenden Arbeitsgases aufnimmt und wieder abgibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solar-Stirling-Maschine aufzuzeigen, die es ermöglicht mit niedrigeren Temperaturen zu arbeiten und/oder einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Solar-Stirling-Maschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Mit einem solchermaßen teiltransparenten Wärmetauscher kann im Vergleich zu der in
DE 44 29 602 A1 vorgeschlagenen Lösung mit niedrigeren Temperaturen gearbeitet und/oder ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden.
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Die Gaskanäle sind zur Einstrahlrichtung des Solarstrahls schräg angestellt, wodurch die eingestrahlte Wärme sich sehr einfach über eine verhältnismäßig große Wärmetauscheroberfläche verteilen lässt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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Gemäß einer ersten Ausführungsvariante weist der Wärmetauscher eine erste Verzahnungsstruktur und eine zweite Verzahnungsstruktur auf, die in einander greifen, wobei die Gaskanäle zwischen diesen Verzahnungsstrukturen verlaufen. Dabei ist die erste Verzahnungsstruktur der zweiten Verzahnungsstruktur in Bezug auf die Einstrahlrichtung vorgelagert. Zudem besteht die erste Verzahnungsstruktur aus transparentem Material. Ferner weist die zweite Verzahnungsstruktur an ihrer zu der ersten Verzahnungsstruktur weisenden Seite zumindest abschnittsweise die lichtabsorbierende Oberfläche auf und es ist die erste Verzahnungsstruktur an ihrer zur zweiten Verzahnungsstruktur weisenden Seite mit einer zumindest teiltransparenten Schicht zur Umwandlung von Licht in Wärmeenergie versehen. Eine solche Struktur mit großer innerer Oberfläche lässt sich mit vertretbarem Aufwand herstellen.
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Dabei kann die erste Verzahnungsstruktur pyramiden- oder kegelförmige Zähne aufweisen, welche unter Aufrechterhaltung von spaltförmigen Gaskanälen in entsprechende Zähne der zweiten Verzahnungsstruktur eingreifen.
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Die Spaltabstände der Gaskanäle können als Funktion der Länge der Gaskanäle variieren, um unterschiedliche Wärmeübergänge zu realisieren.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante weist der Wärmetauscher eine Vielzahl von länglichen Röhrchen in gebündelter Anordnung auf, durch die jeweils ein Gaskanal verläuft und die jeweils mit einem Stirnende in Einstrahlrichtung des Solarstrahls weisen. Hierdurch lässt sich ebenfalls mit geringem Aufwand eine große innere Wärmetauscheroberfläche verwirklichen.
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Die Röhrchen können entweder insgesamt oder in Gruppen gebündelt werden, wobei die Längsachsen der Röhrchen und damit die Gaskanäle zur Einstrahlrichtung des Solarstrahls mit einem Winkel von 5 bis 45 Grad angewinkelt sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur Konzentration eines gebündelten Solarstrahls auf den Wärmetauscher vorgesehen. Diese kann beispielsweise in einem parabolischen Sonnenkollektor bestehen und gegebenenfalls zusätzlich eine Optik zur Beeinflussung des gebündelten Solarstrahls aufweisen. Die Einrichtung zur Konzentration eines gebündelten Solarstrahls kann insbesondere auch Bündel aus Glasfasern zur Einleitung des Solarstrahls in den Gasraum der Solar-Stirling-Maschine umfassen. Hierzu kann gegebenenfalls auch ein Fenster der in
DE 44 29 602 A1 beschriebenen Art zum Einsatz kommen.
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Die Einrichtung zur Konzentration des Solarstrahls auf den Wärmetauscher kann gegebenenfalls auch derart konfiguriert sein, um die eingestrahlte Wärmeleistung zu verstellen. Insbesondere kann über eine entsprechende Optik die Wärmestromdichte der Beheizung an die Betriebsbedingungen der Solar-Stirling-Maschine angepasst werden.
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Der Wärmetauscher kann in einem Expansionsraum eingesetzt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Ansicht einer Solar-Stirling-Maschine nach der Erfindung,
- 2 eine Längsschnittansicht der Stirling-Maschine mit im Expansionsraum derselben angeordnetem Wärmetauscher,
- 3 eine Längsschnittansicht des Wärmetauschers aus 2,
- 4 eine Ansicht der Stirnseite des Wärmetauschers, und in
- 5 eine schematische Ansicht eines weiteren Wärmetauschers.
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1 zeigt eine Solar-Stirling-Maschine 1 am Beispiel eines Dish-Stirling-Systems mit einem Parabolspiegel 2. Mittels des Parabolspiegels 2 wird Sonnenlicht in Form eines gebündelten Solarstrahls 3 auf die Solar-Stirling-Maschine 1 gelenkt, um Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Die nachfolgend näher erläuterte Erfindung ist jedoch nicht auf Dish-Stirling-Systeme beschränkt. Vielmehr kann eine erfindungsgemäße Solar-Stirling-Maschine 1 auch im Kontext mit anderen Kollektorsystemen zum Einsatz kommen, welche geeignet sind, gebündeltes Sonnenlicht bereitzustellen.
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Gemäß 2 weist die Solar-Stirling-Maschine 1 einen Gasraum auf, der mit einem Arbeitsgas, beispielsweise Wasserstoff, Helium, Stickstoff oder Luft befüllt ist. Vorzugsweise wird mit einem Arbeitsdruck über Atmosphärendruck gearbeitet. Der Gasraum umfasst einen Expansionsraum 4, in dem das Arbeitsgas unter Wärmezufuhr von außen expandieren kann, sowie einen Kompressionsraum 5, in dem das Arbeitsgas unter Wärmeabgabe nach außen im Wesentlichen isotherm verdichtet wird. Der Expansionsraum 4 und der Kompressionsraum 5, sind über einen Verbindungskanal 6 miteinander verbunden, welcher ebenfalls Bestandteil des Gasraums ist.
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2 zeigt beispielhaft eine Solar-Stirling-Maschine 1 vom Alpha-Typ, bei der sowohl im Expansionsraum 4 als auch im Kompressionsraum 5 jeweils ein Kolben 7 bzw. 8 angeordnet ist. Die Kolben 7 und 8 sind über Pleuelstangen 9 und 10 mit einer Kurbelwelle 11 verbunden. Jedoch können auch andere Typen von Solar-Stirling-Maschinen 1 verwendet werden.
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Erfindungsgemäß weist die Solar-Stirling-Maschine 1 einen Wärmetauscher 12 auf, der in dem Gasraum angeordnet ist, und zwar derart, dass dieser für den Solarstrahl 3 erreichbar ist. Insbesondere kann, wie in 2 dargestellt, der Wärmetauscher 12 im Expansionsraum 4 angeordnet sein. Es ist auch möglich, diesen im Verbindungskanal 6 anzuordnen.
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Der Solarstrahl 3 kann über ein Fenster 13 im Gehäuse der Solar-Stirling-Maschine 1 den Wärmetauscher 12 direkt erreichen. Auch eine Einleitung des Solarstrahls 3 in das Gehäuse über Lichtleiter, beispielsweise über Glasfaserbündel ist möglich.
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Der Wärmetauscher 12 weist ein transparentes Material 15 auf, das geeignet ist, hohen Temperaturen standzuhalten. Vorzugsweise kommt hierfür Glas zum Einsatz.
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Das transparente Material 15 ist von einer Vielzahl von Gaskanälen 16 durchsetzt, durch welche das Arbeitsgas hindurchströmen kann. Die Gaskanäle 16 können dabei untereinander gleichartig ausgebildet sein, das heißt denselben Querschnitt sowie dieselbe Länge aufweisen und voneinander gleichbeabstandet angeordnet sein. Zur Optimierung des Wärmetauschers 12 zwecks Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Wärmestromdichte über die gesamte Querschnittsfläche des Wärmetauschers 12 ist es möglich, Länge und Querschnitt der einzelnen Gaskanäle 16 individuell auszulegen und zudem die Anzahl an Gaskanälen 16 pro Flächeneinheit zu variieren. Zudem können die Gaskanäle 16 mit unterschiedlichen Anstellwinkeln zur Einstrahlrichtung R angeordnet werden.
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Der Wärmetauscher 12 weist ferner eine lichtabsorbierende Oberfläche 17 auf, die sich zumindest abschnittsweise entlang der Gaskanäle 16 erstreckt und dazu dient, das auftreffende Licht in Wärme umzuwandeln. Diese Wärme wird während des Betriebs der Solar-Stirling-Maschine an das Arbeitsgas, welches die Gaskanäle durchströmt, abgegeben.
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Die Gaskanäle 16 sind derart in dem Wärmetauscher 12 angeordnet, dass deren Gesamtoberfläche entlang der lichtabsorbierenden Oberfläche 17 ein Vielfaches der zur vorgesehenen Einstrahlstrahlrichtung R des Solarstrahls 3 senkrechten Querschnittsfläche des Wärmetauschers 12 beträgt. Die innere Wärmetauscheroberfläche beträgt ein Vielfaches des Zylinderdurchmessers der Expansionskammer 4. Das auf die Stirnseite des Wärmetauschers 12 auftreffende Licht gelangt durch das transparente Material 15 zu den Gaskanälen 16, welche zur Einstrahlrichtung R schräg verlaufen, um dann auf die dahinter liegende lichtabsorbierende Oberfläche 17 zu treffen. Durch die Brechung des eintretenden Lichts wird dieses über die gesamte Fläche der lichtabsorbierenden Schicht verteilt, wobei diese aufgrund der Anordnung der Gaskanäle 16 deutlich größer ist, als der rechnerische Querschnitt des Wärmetauschers 12. Hierdurch kann die Solar-Stirling-Maschine 1 mit geringeren maximalen Temperaturen und/oder mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden.
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Ein kurzes Rechenbeispiel soll dies wie folgt verdeutlichen. Dazu sei angenommen, dass die Fläche des Arbeitskolbens 0,0056745 m2 beträgt. Bei einer Arbeitsleistung von 500 W und einem Wirkungsgrad von 22 Prozent beträgt die benötigte Wärmeeinstrahlung 2272W. Unter diesen Umständen ergäbe sich unter Zugrundelegung eines Wärmeübergangskoeffizienten von circa 300 W/m2K eine benötigte Temperaturdifferenz von 1335 K. Geht man von einer Arbeitsgastemperatur von 650 °C aus, würde dies eine Materialtemperatur von 1985 °C bedeuten, welche sich praktisch kaum verwirklichen lässt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Wärmetauscher 12 eine erste Verzahnungsstruktur 18 und eine zweite Verzahnungsstruktur 19 mit pyramidenförmigen Zähnen 20 auf, die in einander greifen, wobei die Gaskanäle 16 zwischen diesen Verzahnungsstrukturen verlaufen. Beträgt die Höhe der Pyramiden das Vierfache der Kantenlänge der Grundfläche der Pyramide, so ergibt sich eine für den Wärmeübergang zur Verfügung stehende Fläche von 0,045713 m2, womit sich die benötigte Temperaturdifferenz auf 165 K reduziert.
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Wie 3 entnommen werden kann, ist die erste Verzahnungsstruktur 18 der zweiten Verzahnungsstruktur 19 in Bezug auf die beabsichtigte Einstrahlrichtung R vorgelagert. Dabei besteht die erste Verzahnungsstruktur 18 aus dem transparenten Material 15, während die zweite Verzahnungsstruktur 19 an ihrer zu der ersten Verzahnungsstruktur 18 weisenden Seite zumindest abschnittsweise die lichtabsorbierende Schicht 17 aufweist. Sowohl die erste Verzahnungsstruktur 18 als auch die zweite Verzahnungsstruktur 19 können aus Glas hergestellt sein. Die lichtabsorbierende Oberfläche 17 kann dabei als Schicht auf die zweite Verzahnungsstruktur 19 aufgedampft sein. Die Verzahnungsstrukturen können jeweils durch Zusammensetzen einer Vielzahl von Einzelzähnen 20 bzw. 21 oder von Zahngruppen hergestellt sein.
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Ferner ist es möglich, einen solchen Wärmetauscher 12 aus einem Block zu fertigen, oder alternativ aus jeweils einem Block für jede der Verzahnungsstrukturen.
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Weiterhin kann die erste Verzahnungsstruktur 18 an ihrer zur zweiten Verzahnungsstruktur 19 weisenden Seite eine zumindest teiltransparente Schicht aufweisen, um auch auf dieser Seite der Gaskanäle 16 Wärme zu übertragen. Einfallendes Licht tritt durch die teiltransparente Schicht in die Gaskanäle 16 ein, kann diese jedoch nicht mehr verlassen, sondern wird dort vielmehr in Wärme umgewandelt. Vorzugsweise ist die teiltransparente Schicht nach außen, d.h. entgegen der Einstrahlrichtung für langwellige Strahlung weitgehend undurchlässig. Hierfür können beispielsweise lichtabsorbierende Farbstoffe oder photothermische Umwandlungsmaterialien zum Einsatz kommen. Solche eignen sich auch für die lichtabsorbierende Oberfläche 17 an der zweiten Verzahnungsstruktur 19.
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Die einzelnen Zähne 20 und 21 können pyramidenförmig oder kegelförmig ausgebildet sein, welche unter Aufrechterhaltung von spaltförmigen Gaskanälen 16 ineinandergreifen. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden auch pyramidenstumpfförmige und kegelstumpfförmige Zähne als pyramidenförmig oder kegelförmig angesehen. Dabei ergeben sich Gaskanäle 16, die zur Einstrahlrichtung R des Solarstrahls 3 schräg, vorzugsweise mit einem Winkel von 5 bis 45 Grad, angestellt sind.
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5 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform des Wärmetauschers 22, welche ebenfalls auf dem vorstehend erläuterten Prinzip einer erhöhten inneren Wärmetauscheroberfläche beruht.
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Der Wärmetauscher 22, welcher in 5 lediglich abschnittsweise dargestellt ist, weist eine Vielzahl von länglichen Röhrchen 23 auf, durch die jeweils ein Gaskanal 26 verläuft. Die Röhrchen 23 sind als Bündel angeordnet, wobei deren Gaskanäle 26 zueinander parallel verlaufen können. Es ist jedoch auch möglich, Gruppen von Röhrchen 23 gegeneinander zu verschränken, so dass deren Gaskanäle 26 mit einem der einen Winkel ungleich Null miteinander einschließen.
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Sämtliche Röhrchen 23 weisen jeweils mit einem Stirnende 24 in Einstrahlrichtung R des Solarstrahls 3. Vorzugsweise sind die Längsachsen A der Röhrchen 23 und damit die Gaskanäle 26 zur Einstrahlrichtung R des Solarstrahls 3 mit einem Winkel α von 5 bis 45 Grad angewinkelt.
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Zudem sind die Röhrchen 23 aus transparentem Material 25, beispielsweise Glas, gefertigt. Sie weisen ferner eine lichtabsorbierende Schicht 27 auf. Die lichtabsorbierende Oberfläche 27 kann als Schicht ausgeführt sein, die beispielsweise aufgedampft ist. Jedoch sind auch andere Beschichtungstechniken einsetzbar, wobei auch hier die oben genannten lichtabsorbierenden Farbstoffe und photothermischen Umwandlungsmaterialien zum Einsatz kommen können. Hierdurch kann, wie oben bereits im Zusammenhang mit dem Wärmetauscher 12 ausgeführt, das eingestrahlte Licht über eine große innere Oberfläche verteilt werden, wodurch die benötigte Temperaturdifferenz verringert und der Wirkungsgrad erhöht werden können.
