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Die Erfindung betrifft eine Solaranlage mit wenigstens einem um wenigstens eine Achse nachführbaren Solarkollektor umfassend ein linienförmig fokussierendes optisches Element, in dessen Fokuslinie ein Receiver angeordnet ist.
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Im Stand der Technik sind Solarkollektoren bekannt, bei denen einfallende Sonnenstrahlung mithilfe von optischen Elementen – wie bspw. lang gestreckten Fresnellinsen oder Parabolrinnen – auf einen linienförmigen Fokus gebündelt werden. Entlang der so erzeugten Fokuslinie ist dann ein Absorberrohr angeordnet, welches durch die gebündelte Sonnenstrahlung erhitzt wird. Die so gewonnene Wärmeenergie kann durch ein das Absorberrohr durchströmendes Wärmeträgerfluid abtransportiert und als Nutzenergie verwendet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solaranlage umfassend wenigstens einem Solarkollektor mit einem linienförmig fokussierenden optischen Element und einem in der Fokuslinie angeordneten Receiver zu schaffen, der gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Solaranlage gemäß dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach betrifft die Erfindung eine Solaranlage mit wenigstens einem um wenigstens eine Achse nachführbaren Solarkollektor umfassend ein linienförmig fokussierendes optisches Element, in dessen Fokuslinie ein Receiver angeordnet ist, wobei der Receiver wenigstens zwei Teilreceiver umfasst, die jeweils ein lang gestrecktes transparentes Hohlprofil aufweisen, wobei das Hohlprofil jedes Teilreceivers in einem transparenten Hüllrohr angeordnet ist und das Hohlprofil und das Hüllrohr jedes Teilreceivers jeweils an beiden Enden hermetisch dicht miteinander verbunden sind, und wobei die Teilreceiver derart miteinander verbunden sind, dass ihre Hohlprofile zur Bildung eines durchgehenden Innenraums hermetisch dicht miteinander verbunden sind.
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Indem jeweils das Hohlprofil eines Teilreceivers mit dem Hüllrohr desselben Teilreceivers hermetisch dicht miteinander verbunden ist und zusätzlich die Teilreceiver miteinander verbunden sind, entsteht ein transparenter Receiver mit einer aus der Länge der Teilreceiver kombinierten Länge und mit einer, der Anzahl der Teilreceiver entsprechenden Anzahl nebeneinanderliegenden Zwischenräumen zwischen den Hüllrohren und Hohlprofilen der jeweiligen Teilreceiver. Der Innenraum des Gesamtreceivers erstreckt sich dabei durch die Hohlprofile aller Teilreceiver. Durch die genannten Zwischenräume können Wärmeverluste vom Hohlprofil eines Teilreceivers an die Umgebung, insbesondere aufgrund von Konvektion, reduziert werden.
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Der Innenraum des Gesamtreceivers kann zur Durchleitung von Wärmeträgerfluid ausgebildet sein, wobei die Hohlprofile der Teilreceiver selbst die Durchleitung für das Wärmeträgerfluid bilden können. In dem Innenraum können alternativ oder zusätzlich zu einer Durchleitung für Wärmeträgerfluid auch Solarzellen oder sonstige Anordnungen zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in nutzbare Energie angeordnet sein.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Verbindung des Hüllrohrs und des Hohlprofils jedes Teilreceivers sowie aufgrund der erfindungsgemäßen Transparenz sowohl der Hüllrohre als auch der Hohlprofile gegenüber dem Stand der Technik Verbesserungen erzielt werden. Insbesondere tritt bei einer erfindungsgemäßen Solaranlage gegenüber einer Anlage des Standes der Technik nur ein geringer Wirkungsgradverlust ein. Dies wird zum einen durch die oben beschriebenen Zwischenräume und die damit zusammenhängende mögliche Verminderung von Konvektionswärmeverlusten erreicht. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades wird dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße Verbindung der transparenten Hüllrohre mit den transparenten Hohlprofilen der Teilreceiver sowie der Teilreceiver untereinander platzsparend und zumindest teilweise transparent ausgestaltet werden kann, sodass es nur in geringem Umfang zu einer den Wirkungsgrad verringernden Abschattung des Hohlprofils in den genannten Verbindungsbereichen kommt.
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Die Länge des Receivers ergibt sich aus der Summe der Längen der Teilreceiver. Es ist möglich, mehr als zwei Teilreceiver erfindungsgemäß miteinander zu verbinden, um so eine beliebige Gesamtreceiverlänge zu erreichen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit beziehen sich die nachfolgenden Ausführungen jedoch auf Receiver mit zwei Teilreceivern. Eine Beschränkung auf solche Ausführungsformen ist damit jedoch nicht verbunden.
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Es ist bevorzugt, wenn zwischen zwei Teilreceivern an deren Stirnseiten wenigstens ein Dichtring angeordnet ist, die Teilreceiver an den einander zugewandten Enden jeweils wenigstens einen Flansch aufweisen und wenigstens ein Spannelement vorgesehen ist, welches an den Flanschen angreift und die Teilreceiver derart verspannt, dass der wenigstens eine Dichtring den Bereich zwischen den Teilreceivern hermetisch abdichtet, womit sich dann eine hermetisch dichte Verbindung der Hohlprofile der Teilreceiver zur Bildung eines durchgehenden Innenraums ergibt. Bei den Spannelementen kann es sich um Metallklemmen oder Spannschrauben handeln. Die Flansche können sich über den gesamten Umfang der Teilreceiver erstrecken oder es können mehrere Flansche über den Umfang der Teilreceiver verteilt angeordnet sein. Durch die Spannelemente kann in beiden Fällen eine ausreichende Dichtwirkung über den gesamten Umfang der Teilreceiver erreicht werden.
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Es ist auch möglich, dass zwei Teilreceiver über ein Scharnier miteinander verbunden sind, welches ein Abklappen der beiden Teilreceiver zueinander gestattet. In diesem Fall wird die Verspannung der Teilreceiver im Bereich des Scharniers durch dieses selbst gewährleistet. Die Flansche und Spannelemente können auf den übrigen Umfang der Teilreceiver beschränkt bleiben.
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Alternativ ist es möglich, dass zwischen zwei Teilreceivern an deren Stirnseiten wenigstens ein Dichtring angeordnet ist, die Teilreceiver an den einander zugewandten Enden jeweils ein Gewinde aufweisen und ein Verbindungselement mit zu den Gewinden der Teilreceiver passenden Gegengewinde vorgesehen ist, in welche die beiden Teilreceiver derart eingeschraubt sind, dass der wenigstens eine Dichtring den Bereich zwischen den beiden Teilreceivern hermetisch abdichtet.
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Es ist bevorzugt, wenn das Verbindungselement zwischen den Gegengewinden, in welche die Gewinde der Teilreceiver eingreifen, einen Faltenbalg oder einen sonstigen elastischen Verformungsbereich aufweist. Ein entsprechender Faltenbalg oder Verformungsbereich ermöglicht eine Kompensation der Wärmeausdehnung der Teilreceiver und/oder anderer Komponenten der Solaranlage.
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Es ist auch möglich, ein Verbindungselement vorzusehen, welches hermetisch dicht an einem ersten Teilreceiver und an einem zweiten Teilreceiver anliegt und die beiden Teilreceiver so hermetisch dicht miteinander verbindet. Das entsprechende Verbindungselement kann über Presspassung, Verklebung und/oder Fixierung mit Rohrschellen hermetisch dichtend mit jeweils einem Teilreceiver verbunden sein. Vorzugsweise weist das Verbindungselement zwischen den Bereichen, in denen es hermetisch dicht an den Teilreceivern anliegt, einen Faltenbalg oder einen sonstigen elastischen Verformungsbereich auf. Ein entsprechender Faltenbalg oder Verformungsbereich ermöglicht eine Kompensation der Wärmeausdehnung der Teilreceiver und/oder anderer Komponenten der Solaranlage.
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Es ist bevorzugt, wenn der wenigstens eine Dichtring und/oder das Verbindungselement flexibel, transparent und/oder sonnenbeständig ist. Durch die Flexibilität des wenigstens einen Dichtrings und/oder des Verbindungselements können Spannungen in den einzelnen Elementen der Solaranlage, die beispielsweise aufgrund von Wärmeausdehnung entstehen könnten, reduziert werden. Die Sonnenbeständigkeit des wenigstens einen Dichtrings und/oder des Verbindungselements ermöglicht eine lange Lebensdauer der erfindungsgemäßen Solaranlage. Die bevorzugte Transparenz des Dichtrings und/oder des Verbindungselementes reduziert die Aufwärmung der Verbindungselemente und die Abschattung, die den Wirkungsgrad verringern kann.
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Es ist bevorzugt, wenn der wenigstens eine Dichtring und/oder das Verbindungselement aus transparentem Silikon oder transparenten Fluorpolymeren ist. Bei diesen Werkstoffen handelt es sich um sonnenbeständige Werkstoffe. Aufgrund ihrer Transparenz kann der Wirkungsgradverlust im Bereich des Übergangs zwischen zwei Teilreceivern weiter verringert werden. Es ist aber auch möglich, dass beispielsweise das Verbindungselement aus Metall gefertigt ist.
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Der Zwischenraum zwischen dem Hohlprofil und dem Hüllrohr eines Teilreceivers kann evakuiert sein. Dadurch wird eine gute Wärmeisolierung des Hohlprofils erreicht. Insbesondere im Zusammenhang mit einem Vakuum im Zwischenraum zwischen Hohlprofil und Hüllrohr, aber auch bei anderen Ausführungsformen, ist es bevorzugt, wenn das Hohlprofil und/oder das Hüllrohr eines Teilreceivers aus Glas gefertigt ist. Ein Vakuum im genannten Zwischenraum kann so dauerhaft erhalten bleiben. Außerdem ist Glas gegenüber vielen Stoffen und insbesondere vielen Wärmeträgerfluiden korrosionsfest.
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Es ist auch möglich, dass der Zwischenraum zwischen dem Hohlprofil und dem Hüllrohr eines Teilreceivers wenigstens teilweise mit einem Aerogel ausgefüllt ist, wobei das Aerogel wenigstens in dem Bereich des zu erwartenden Strahlengangs der Sonnenstrahlung zu den Hohlprofilen hin transparent ist. Durch die Porenstruktur von Aerogelen kann die Konvektion im genannten Zwischenraum, die zu Wärmeverlusten führt, reduziert oder fast vollständig vermieden werden.
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Insbesondere in den Fällen, in den ein Wärmeträgerfluid direkt durch die Hohlprofile der Teilreceiver bzw. durch den durchgehenden Innenraum des Gesamtreceivers geleitet wird, ist das Wärmeträgerfluid bevorzugt eine Calciumchloridlösung, wobei die Calciumchloridlösung vorzugsweise mit einem dunklen Absorber versetzt ist. Wird ein anderes Wärmeträgerfluid eingesetzt, so kann dieses bevorzugt strahlungsabsorbierend und/oder mit einem dunklen Absorber versetzt.
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Es ist bevorzugt, wenn die Solaranlage einen Stirling Motor, eine Organic Rankine Cycle (ORC) Anlage oder eine thermische Kältemaschine umfasst, die mit im Receiver erwärmtem Wärmeträgerfluid betrieben wird.
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Der Solarkollektor der Solaranlage ist bevorzugt einachsig (hinsichtlich der Elevation) oder zweiachsig (hinsichtlich der Elevation und des Azimuts) der Sonne nachführbar. Dadurch kann gewährleistet werden, dass sich der Receiver im Tagesverlauf in der Fokuslinie des linienförmig fokussierenden optischen Elements befindet.
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Sofern eine Solaranlage zwei Solarkollektoren oder mehr aufweist und diese zum Erwärmen von Wärmeträgerfluid ausgebildet sind, können die Receiver der einzelnen Solarkollektoren bevorzugt parallel – bspw. mit einer Tichelmann-Schaltung – angebunden sein. Dadurch kann eine gleichmäßigere Temperatur des Wärmeträgerfluids erreicht werden.
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Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solaranlage;
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2 einen Detailschnitt des Receivers der Solaranlage aus 1 in einer ersten Ausführungsvariante;
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3 einen Detailschnitt des Receivers der Solaranlage aus 1 in einer zweiten Ausführungsvariante;
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4 einen Detailschnitt des Receivers der Solaranlage aus 1 in einer dritten Ausführungsvariante; und
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5 einen Detailschnitt des Receivers der Solaranlage aus 1 in einer vierten Ausführungsvariante.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Solaranlage 1 dargestellt. Die Solaranlage 1 umfasst eine Kollektoreinheit 2 mit einem linienförmig fokussierenden Element 3 und einem lang gestreckten Receiver 10. Der Receiver 10 ist entlang der Fokuslinie des linienförmig fokussierenden Elements 3 angeordnet und wird dort mithilfe von Tragarmen 4 gehalten. Bei dem linienförmig fokussierenden Element 3 handelt es sich um eine halbparaboloide Spiegelrinne.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Receiver 10 zur Durchleitung von Wärmeträgerfluid ausgebildet. Die Zu- und Ableitungen für das Wärmeträgerfluid zu und von dem Receiver 10 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt.
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Die Kollektoreinheit 2, umfassend das linienförmig fokussierende Element 3 und den Receiver 10, ist um eine Schwenkachse 5 schwenkbar gelagert, wobei die Schwenkachse 5 entlang einer Kante des linienförmig fokussierenden Elements 3 verläuft. Über ein Antriebselement 6 lässt sich die Kollektoreinheit 2 um die Schwenkachse 5 verschwenken. Die Kollektoreinheit 2 lässt sich so hinsichtlich der Elevation dem Stand der Sonne nachführen.
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Die Kollektoreinheit 2 ist weiterhin auf einem Drehwerk 7 angeordnet. Mithilfe dieses Drehwerkes 7 lässt sich die Kollektoreinheit 2 um eine Achse 8 senkrecht zu der Schwenkachse 5 der Kollektoreinheit 2 drehen. Durch das Verschwenken der Kollektoreinheit 2 einerseits und das Drehen derselben um die Drehachse 8 des Drehwerks 7 andererseits wird eine zweiachsige Nachführung erreicht, nämlich hinsichtlich der Elevation und des Azimuts.
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Der Receiver 10 der Solaranlage 1 aus 1 umfasst Teilreceiver 11, 11‘. Die Teilreceiver 11, 11‘ weisen jeweils ein lang gestrecktes transparentes Hohlprofil 12 auf. Das Hohlprofil 12 eines Teilreceivers 11, 11‘ ist jeweils in einem transparenten Hüllrohr 13 angeordnet, wobei das Hohlprofil 12 und das Hüllrohr 13 eines Teilreceivers 11, 11‘ jeweils an beiden Enden hermetisch dicht miteinander verbunden sind. Die beiden Teilreceiver 11, 11‘ sind wiederum derart miteinander verbunden, dass die Hohlprofile 12 der beiden Teilreceiver 11, 11‘ zur Bildung eines durchgehenden Innenraums 14 hermetisch dicht miteinander verbunden sind. Der Innenraum 14 des Receivers 10 erstreckt sich also durch die Hohlprofile 12 aller Teilreceiver 11, 11‘.
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Der Receiver 10 weist eine aus der Länge der Teilreceiver 11, 11‘ kombinierte Gesamtlänge auf, wobei entlang der Gesamtlänge eine der Anzahl der Teilreceiver 11, 11‘ entsprechenden Anzahl nebeneinanderliegenden Zwischenräume 14‘ zwischen den Hüllrohren 12 und Hohlprofilen 13 der jeweiligen Teilreceiver 11, 11‘ vorhanden ist.
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Die Hüllrohre 12 und Hohlprofile 13 der Teilreceiver 11, 11‘ sind jeweils aus Glas gefertigt. Um die erfindungsgemäße Abdichtung an den jeweiligen Enden eines Teilreceivers 11, 11‘ zu erreichen, sind die Hüllrohre 12 und Hohlprofile 13 in diesen Bereichen miteinander verschmolzen.
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Die Verbindung der beiden Teilreceiver 11, 11‘ aus 1 wird nun anhand der Ausführungsvarianten in 2 bis 5 näher erläutert. Die genannten Figuren zeigen eine Schnittansicht des Verbindungsbereiches der beiden Teilreceiver 11, 11‘ des Receivers 10 aus 1. Die nachfolgend erläuterten Verbindungsvarianten für die Teilreceiver 11, 11‘ können dabei beliebig mit den nachfolgenden beschriebenen Ausgestaltungen der Zwischenräume 14‘ kombiniert werden.
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In 2 ist eine erste Ausführungsvariante des Verbindungsbereiches zwischen den beiden Teilreceivern 11, 11‘ des Receivers 10 aus 1 im Schnitt dargestellt.
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Wie aus der 2 ersichtlich, sind das Hohlprofil 12 und das Hüllrohr 13 der Teilreceiver 11, 11‘ an dem, in der 2 jeweils dargestellten Ende hermetisch dicht miteinander verbunden. Eine entsprechende Verbindung der Hohlprofile 12 und Hüllrohre 13 ist auch an den nicht dargestellten Enden der Teilreceiver 11, 11‘ vorgesehen.
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Die beiden Teilreceiver 11, 11‘ weisen an ihren einander zugewandten Enden jeweils Flansche 16 auf. An diesen Flanschen 16 greifen Spannelemente 17 in Form von Klammern aus Federstahl an und verspannen die Teilreceiver 11, 11‘ derart, dass der zwischen den Teilreceivern 11, 11‘ angeordnete Dichtring 15 die beiden Teilreceiver 11, 11‘ gegenüber der Umgebung so hermetisch abdichtet, ein durchgehender Innenraum 14 durch beide Teilreceiver 11, 11‘ und damit den Receiver 10 gebildet wird.
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Bei der Ausführungsvariante in 2 ist der Zwischenraum 14‘ zwischen dem Hohlprofil 12 und dem Hüllrohr 13 jedes Teilreceivers 11, 11‘ evakuiert. Durch ein Vakuum in diesen Zwischenräumen 14‘ wird eine gute Wärmeisolierung der Hohlprofile 12 erreicht.
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Bei der Ausführungsvariante in 3 ist zwischen den beiden Teilreceivern 11, 11‘ ein Scharnier 18 vorgesehen, welches ein Abklappen der beiden Teilreceiver 11, 11‘ zueinander beispielsweise für den Transport gestattet. Über den restlichen Umfang der Teilreceiver 11, 11‘ sind an den einander zugewandten Enden jeweils Flansche 16 vorgesehen, an denen – wie bei der Ausführungsvariante gemäß 2 – Spannelemente 17 angreifen. Zwischen den Teilreceivern 11, 11‘ ist ein Dichtring 15 angeordnet, sodass bei Verspannungen durch die Spannelemente 17 die Hohlprofile 12 zur Bildung eines durchgehenden Innenraums 14 hermetisch dicht miteinander verbunden sind.
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Wie bei der Ausführungsvariante aus 2 sind die Zwischenräume 14‘ evakuiert.
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In der Ausführungsvariante gemäß 4 weisen die Teilreceiver 11, 11‘ an den jeweils einander zugewandten Enden Gewinde 19 auf. In diese Gewinde 19 greifen jeweils Verbindungselemente 20 mit entsprechenden Gegengewinden 21 ein. Die beiden Teilreceiver 11, 11‘ können mithilfe des Verbindungselementes 20 derart verbunden werden, dass der zwischen den beiden Teilreceivern 11, 11‘ angeordnete Dichtring 15 den durchgehenden Innenraum 14 gegenüber der Umgebung hermetisch abdichtet.
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Das Verbindungselement 20 für die beiden Teilreceiver 11, 11‘ weist zwischen den Gegengewinden 21, mit denen das Verbindungselement 20 in die Gewinde 19 an den Teilreceivern 11, 11‘ eingreift, einen Faltenbalg 22 auf. Mit diesem Faltenbalg 22 können Wärmeausdehnungen der beiden Teilreceiver 11, 11‘ kompensiert werden.
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Der Zwischenraum 14‘ zwischen den Hüllrohren 13 und Hohlprofilen 12 der Teilreceiver 11, 11‘ ist in der Ausführungsvariante gemäß 4 mit einem Aerogel 30 gefüllt, welches wenigstens im Bereich des erwarteten Strahlenganges der Sonnenstrahlen zum Hohlprofil 12 hin transparent ist. Durch das Aerogel 30 können Wärmeverluste aufgrund von Konvektion in den Zwischenräumen 14‘ vermindert werden.
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Bei der Ausführungsvariante in 5 sind die beiden Teilreceiver 11, 11‘ über ein Verbindungselement 20 miteinander verbunden, welches hermetisch dichtend an den beiden Teilreceivern 11, 11‘ anliegt. Dazu ist das Verbindungselement 20 mit dem einen Teilreceiver 11‘ verklebt, während es mithilfe einer Rohrschelle 24 hermetisch dichtend an den anderen Teilreceiver 11 angepresst wird. Das Verbindungselement 20 weist außerdem im Bereich zwischen den Stirnseiten der Teilreceiver 11, 11‘ einen Verformungsbereich 23 auf, mit dem unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Teilreceiver 11, 11‘ kompensiert werden können. Der Verformungsbereich 23 zeichnet sich durch Ausnehmungen im Verbindungselement 20 aus, die ein elastisches Verformen des Verbindungselementes 20 in eben diesem Bereich ermöglichen.
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Der Zwischenraum 14‘ zwischen dem Hohlprofil 12 und dem Hüllrohr 13 eines jeden Teilreceivers 11, 11‘ ist jeweils mit Edelgas gefüllt.
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Bei den vorstehenden Ausführungsvarianten sind die Teilreceiver 11, 11‘ vollständig transparent und aus Glas gefertigt. Das Wärmeträgerfluid kann dabei direkt durch die Hohlprofile 12 der Teilreceiver 11, 11‘ bzw. durch den durchgehenden Innenraum 14 des Gesamtreceivers 10 geleitet werden. Damit in diesem Fall die auf den Receiver 10 auftreffende Sonnenstrahlung absorbiert werden kann, ist das Wärmeträgerfluid strahlungsabsorbierend oder zumindest mit Absorberstoffen versetzt. Grundsätzlich ist als Wärmeträgerfluid eine Calciumchloridlösung bevorzugt, die vorzugsweise mit dunklen Absorberstoffen versetzt ist.
