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Die Erfindung betrifft einen einachsig zum jeweiligen Sonnenstand nachführbaren Sonnenkollektor mit einem primären und einem sekundären Konzentratorelement, sowie einem Empfängerelement. Das primäre Konzentratorelement wird bevorzugt von einer verspiegelten Parabolrinne gebildet, während das sekundäre Konzentratorelement eine Prismen- oder Spiegelanordnung aufweist. Das Empfängerelement ist an der Oberfläche eines Wärmeübertragers angeordnet und besteht bei einem solarthermischen Sonnenkollektor aus Längsnuten, die in die Oberfläche eines Wärmeübertragers eingelassen sind und bei einem photovoltaischen Hybridkollektor aus PV-Zellen, die an der Oberfläche des Wärmeübertragers auf mindesten einer Brennlinie des sekundären Konzentratorelements angeordnet sind und auf ihrer strahlungsabgewandten Seite wärmeleitend mit dem Wärmeübertrager verbunden sind. Der Wärmeübertrager selbst ist entweder als ein von einem Wärmeträgerfluid direkt durchströmtes Absorberrohr oder als Druckbehälter, der einen Zweiphasen-Thermosyphon aufnimmt, ausgebildet. Das sekundäre Konzentratorelement besteht aus einer Anordnung von Prismen oder Spiegeln, die die von einem primären Konzentratorelement als radiale Strahlen auf eine Brennlinie fokussierten Sonnenstrahlen auf eine Vielzahl von Brennlinien an der äußeren Oberfläche eines Wärmeübertragers konzentrieren. Bei einem solarthermischen Kollektor liegen diese Brennlinien innerhalb von parallel zu den Brennlinien angeordneten Längsnuten, die in ein Absorberrohr eingelassen sind. Bei einem photovoltaischen Hybridkollektor sind spezielle PV-Zellen unmittelbar auf den Brennlinien des sekundären Konzentratorelements angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind die PV-Zellen als mehrfach dotierte Stapelsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 44,7% ausgebildet und sind nur wenige Millimeter groß.
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Stand der Technik
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Parabolrinnenkollektoren werden im kraftwerkstechnischen Maßstab eingesetzt, um Sonnenlicht auf ein Absorberrohr zu konzentrieren. Mit einer Aperturweite des Parabolspiegels von bis zu acht Metern und mit einem Absorberrohr von nur 95 mm Durchmesser wird eine circa 80-fache Konzentration des Sonnenlichts erzielt, wobei die Parabolrinne und das Absorberrohr von einer Tragkonstruktion aus Stahl so präzise zueinander ausgerichtet sind, dass 98% der eingestrahlten Solarenergie auf das Absorberrohr konzentriert werden. Die Winkelabweichungen des Spiegelnormalenvektors von seiner idealen Richtung dürfen auch unter den Betriebslasten aus Windbeanspruchung und Eigengewicht nur wenige Millirad betragen. Strukturverformungen eines Parabolrinnenkollektors können entsprechend dem Stand der Technik in engen Grenzen gehalten werden, sodass auch bei sehr großen Aperturweiten eine präzise Konzentration des Sonnenlichts auf ein Empfängerelement möglich ist. Eine absorbierende Beschichtung auf der Oberfläche des Absorberrohrs wandelt die eingestrahlte elektromagnetische Energie der Sonne in thermische Energie, die unter Vermeidung von Wärmeverlusten durch ein konzentrisch um das Absorberrohr angeordnetes transparentes Hüllrohr mit einem Vakuum zwischen dem Absorberrohr und dem transparenten Hüllrohr auf ein in dem Wärmträgerrohr geführtes Wärmeträgerfluid übertragen wird. Bei Parabolrinnenkraftwerken besteht das Wärmträgerfluid, z. B. aus einem Silikonöl, das auf bis zu 400°C erhitzt wird, um zur Stromerzeugung Wasserdampf für Turbinen bereitzustellen. Der Gesamtwirkungsgrad derartiger Parabolrinnenkraftwerke beträgt heute circa 14–20%. Bei den als PV-Zellen bezeichneten Solarzellen handelt es sich im Rahmen der Erfindung um mehrfach dotierte Solarzellen, die auch als Stapelsolarzellen bekannt sind. Die von der Firma SOITEC hergestellten Stapelsolarzellen erreichen bei einer 300- bis 500-fachen Konzentration des Sonnenlichts einen Wirkungsgrad von bis zu 44,7% und sind nur etwa 2 × 2 mm groß. Stapelsolarzellen der Firma AZURsolar erreichen bei einer tausendfachen Konzentration des Sonnenlichts auf eine nur 3 × 3 mm große Fläche einen Wirkungsgrad von bis zu 40%. Derartige Mehrfach-Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien der Gruppen III und V des Periodensystems, die in einem sog. Waferbond-Verfahren untereinander so verbunden werden, dass die Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten stromführend ausgebildet werden können. Die französische Firma „SOITEC” stellt Solaranlagen her, die den hohen Wirkungsgrad der Stapelsolarzellen im kraftwerkstechnischen Maßstab nutzen. Dabei wird eine Vielzahl von Kollektormodulen, die jeweils aus einer Fresnel-Linse und einer Stapelsolarzelle bestehen auf einer Trägerfläche angeordnet, die zweiachsig zur Sonne ausrichtbar ist. Die Tatsache, dass diese Solarzellen im Kraftwerksbetrieb nur etwa die Hälfte der unter Laborbedingungen gemessenen Leistung erreichen, liegt an dem Leistungsverlust der Solarzellen, der sich infolge einer ungenügenden Kühlung bei hohen Temperaturen einstellt. Außerdem ist die Tragkonstruktion der Kollektormodule ebenfalls großen Temperaturschwankungen unterworfen, wobei thermisch bedingte Längenänderungen an dem Konzentratorsystem auftreten, die mit den hohen Anforderungen einer präzisen Konzentration des Sonnenlichts auf die nur wenige Millimeter großen Stapelsolarzellen nicht vereinbar sind.
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Bei bekannten Parabolrinnenkollektoren erfolgt die Wärmeübertragung von dem Absorberrohr auf ein Wärmeträgerfluid vornehmlich durch Wärmeleitung aber auch durch Wärmestrahlung und Konvektion. Um eine möglichst gleichmäßige Wärmeübertragung sicherzustellen, sollte der Wärmeeintrag auf das Absorberrohr möglichst allseitig erfolgen, was bei einem herkömmlichen Parabolrinnenkollektor nicht der Fall ist, da der Wärmeeintrag von der einstrahlungsabgewandten Seite her erfolgt. Ein Wärmerohr nutzt die Verdampfungsenthalpie einer Flüssigkeit beim Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig und umgekehrt von gasförmig zu flüssig, wobei das Wärmerohr selbst als ein mit einem Unterdruck beaufschlagter, gegenüber der Atmosphäre hermetisch abgeschlossener und mit einem Arbeitsmedium befüllter Druckbehälter ausgebildet ist, um die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums herabzusetzen. Eine besonders vorteilhafte Bauart eines Wärmerohrs stellt ein sog. Zweiphasen-Thermosyphon dar, bei dem die Wärmeübertragung durch ein phasenwechselndes Arbeitsmedium erfolgt, das zwischen einer Wärmquelle am unteren Ende und einer Wärmesenke am oberen Ende des Druckbehälters seine Phase wechselt und dabei Wärmeenergie auf ein Wärmeträgerfluid überträgt. Bei Wärmeeintrag an der Wärmequelle verdampft das Arbeitsmedium, kondensiert an der Wärmsenke und fließt unter dem Einfluss der Schwerkraft wieder zurück zur Wärmequelle am unteren Ende des Druckbehälters, um erneut zu verdampfen. Für die Übertragung der Wärme von einer Wärmequelle auf ein Wärmeträgerfluid, das z. B. in einem berippten Wärmträgerrohr am oberen Ende des Druckbehälters angeordnet ist, wird die Verdampfungsenthalpie des phasenwechselnden Arbeitsmediums genutzt. Bei einem angenommenen Temperaturunterschied von 50°C zwischen dem Wärmeträgerfluid und der Wärmequelle beträgt die Wärmeleistung eines handelsüblichen berippten Wärmeträgerrohrs z. B. 4 kW pro Meter Rohr. Bekannte Absorberrohre aus Metall bestehen z. B. aus Kupfer, Aluminium oder auch aus Stahl und tragen auf ihrer äußeren Mantelfläche eine absorbierende Beschichtung. Eine Schwarzchrom-Schicht mit Einlagerungen von metallischen Partikeln in Chromoxid weist eine mikroraue Oberfläche auf und zeichnet sich durch Absorptionsgrade von 90–98% aus. Titanoxinitrid, das auf eine metallische Oberfläche aufgedampft wird emittiert nur etwa 5–6% der absorbierten Strahlung. Bei bekannten Röhrenkollektoren besteht das Hüllrohr aus einem eisenarmen Kalknatronglas oder Borosilicatglas, das sich durch eine hohe solare Transmission und geringe Herstellungskosten auszeichnet. Das Hüllrohr kann aber auch aus einem transparenten Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA) hergestellt werden. Prismen werden bevorzugt aus einem eisenarmen Kalknatronglas oder aus Borosilicatgals hergestellt. Ein profiliertes Glasrohr kann aber auch in einem Ziehglasverfahren wirtschaftlich hergestellt werden. Im Falle vom Kunststoff können Extrusionsverfahren zum Einsatz kommen, bei denen Polymethylmethacrylat (PMMA) oder aber auch Polycarbonat zu Profilquerschnitten extrudiert werden. Bei Parabolrinnenkollektoren haben sekundäre Konzentratorelemente, die z. B. aus einem einstrahlungsseitig angeordneten Spiegel bestehen, die Aufgabe das von einer verspiegelten Parabolrinne oder von einem Fresnel-Spiegel fokussierte Licht noch präziser auf ein Absorberrohr zu bündeln.
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Die
US 4,432,35 zeigt einen solarthermischen Parabolrinnenkollektor mit einem primären und einem sekundären Konzentratorelement. Das sekundäre Konzentratorelement ist als eine einstrahlungsseitig angeordnete gefaltete Blechschale dazu ausgebildet Lichtstrahlen eines, von der Parabolrinne radial zentrierten Strahlenbündels, die das auf der Brennlinie des Parabolspiegels angeordnete Absorberrohr verfehlen, auf das Absorberrohr zu reflektieren. Die
EP0767889 zeigt einen röhrenförmigen Sonnenkollektor als thermischen und oder photovoltaischen Kollektor mit einem primären und einem sekundären Konzentratorelement. Das primäre Konzentratorelement besteht aus einem transparenten Hüllrohr, das auf seiner der Einstrahlung zugewandten Innenseite Prismen trägt, die die parallel einfallende Strahlung der Sonne auf ein Empfängerelement bündeln. Das sekundäre Konzentratorelement ist bei diesem Sonnenkollektor innerhalb des transparenten Hüllrohrs angeordnet und dient dazu, Lichtstrahlen des parallelen Strahlenbündels der Sonne, die von den Prismen nicht auf das Empfängerelement gelenkt werden, auf das Empfängerelement zu reflektieren. Die
DE10305428 zeigt einen Parabolrinnenkollektor mit einem das Absorberrohr konzentrisch umgebenden, transparenten Hüllrohr, das auf seiner der Einstrahlung zugewandeten Innenseite Prismen trägt, die dazu ausgebildet sind, die parallel einfallenden Strahlenbündel der Sonne, die im Zwischenraum zwischen dem transparenten Hüllrohr und dem Absorberrohr durch das transparenten Hüllrohr abgelenkt werden, durch Beugung und oder Brechung auf das Absorberrohr zu lenken. Strahlen, die von den Randbereichen des Parabolspiegels nicht präzise genug auf das Absorberrohr gebündelt werden, können, sofern sie noch, innerhalb des von dem transparenten Hüllrohr definierten Einstrahlungskorridors liegen, auf das Absorberrohr gelenkt werden. Die
DE 10 2009 040 601 zeigt die vakuumdichte Verbindung zwischen einem Absorberrohr und einem transparenten Hüllrohr, dass das Absorberrohr konzentrisch umgibt, für einen solarthermischen Parabolrinnenkollektor, der im kraftwerkstechnischen Maßstab zur Stromerzeugung eingesetzt wird.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Parabolrinnenkollektor zu finden, der die tages- und jahreszeitlich bedingt in unterschiedlichen Winkeln einfallenden Strahlenbündel der Sonne bei einachsiger Nachführung zum jeweiligen Stand der Sonne mittels eines sekundären Konzentratorelements, das von Prismen oder Spiegeln gebildet wird, 300–1000-fach auf ein Empfängerelement an der Oberfläche eines Wärmeübertragers zu konzentrieren. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale der Erfindung gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Besteht das Empfängerelement eines Parabolrinnenkollektors aus einer Vielzahl von Stapelsolarzellen, die in Reihen auf der Oberfläche eines Wärmeübertragers angeordnet sind, kann der hohe Konzentrationsfaktor von 300–1000 Sonnen zur Belichtung der Stapelsolarzellen genutzt werden. Die nur etwa 2 × 2 mm bis 4 × 4 mm großen Stapelsolarzellen zeichnen sich durch einen Wirkungsgrad von bis zu 44,7% aus und sind an ihrer strahlungsabgewandten Seite wärmeleitend und elektrisch isoliert durch Wärmebrücken mit einem Wärmeübertrager verbunden. In einer Ausführungsvariante der Erfindung besteht der Wärmeübertrager aus einem Absorberrohr und überträgt die an den Solarzellen absorbierte Wärme durch Wärmeleitung auf ein in dem Absorberrohr zirkulierendes Wärmeträgerfluid. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist der Wärmeübertrager als Zweiphasen-Thermosyphon mit einem Druckbehälter ausgebildet. Dabei bildet die untere, der direkten Sonneneinstrahlung abgewandte Hälfte des Druckbehälters die Wärmequelle, während die obere Hälfte des Druckbehälters eine Vielzahl berippter, von einem Wärmeträgerfluid durchströmter Wärmeträgerrohre aufnimmt und die Wärmesenke des Zweiphasen-Thermosyphon bildet. Eine Strömungsleiteinrichtung im Inneren eines Druckbehälters stellt sicher, dass das in seiner Flüssigphase von den berippten Wärmeträgerrohren abtropfende Arbeitsmedium die Wärmequelle möglichst vollflächig benetzt. Deshalb ist eine Dampfbremse als flüssigkeitsdichte aber dampfdurchlässige Membran aus Metall vorgesehen, die mit einem Abstand zu dem Druckbehälter angeordnet ist und einen Zwischenraum bildet, in dem sich das Arbeitsmedium in seiner Flüssigphase sammelt. Eine derartige Dampfbremse kann aus einem feinmaschigen Metallgewebe oder alternativ aus einer nanoporösen Metallfolie, z. B. aus Edelstahl hergestellt werden. Bei Wärmeeintrag seitens der Stapelsolarzellen auf der Außenseite des Druckbehälters verdampft das Arbeitsmedium, je nach der chemischen Zusammensetzung des Mediums selbst, bereits ab 20–30°C und entwickelt dabei einen Dampfdruck, der die Dampfbremse durchlässig werden lässt. Durch den Dampfdruck steigt das Arbeitsmedium in einem zentralen Bereich des Arbeitsraums zu den berippten Wärmeträgerrohren auf, kondensiert bei Wärmeübertragung auf das in den Wärmeträgerrohren zirkulierende Wärmeträgerfluid und wird unter dem Einfluss der Schwerkraft wieder zu der Wärmequelle auf der Innenseite des Druckbehälters geleitet. Als Wärmeübertrager ist der Zweiphasen-Thermosyphon besonders effektiv, da die Verdampfungsenthalpie des phasenwechselnden Arbeitsmediums sowohl beim Übergang von flüssig zu gasförmig als auch umgekehrt, beim Übergang von gasförmig zu flüssig, zweimal genutzt werden kann. Als Arbeitsmedium zur Befüllung des mit einem Restluftdruck von 1–10 mbar beaufschlagten Arbeitsraums kommen Wasser, Ammoniak, Methyl, Methanol, Ethanol oder ein Kohlenwasserstoff aus dem Bereich der Isopentane in Frage. Die Kombination einer präzise konzentrierenden Parabolrinne, die bei einer Aperturweite von circa 8 m eine 80-fache Konzentration des Sonnenlichts auf ein Absorberrohr mit etwa 95 mm Durchmesser ermöglicht, mit einem sekundären Konzentratorelement, das in der bevorzugten Ausführungsvariante von Prismen gebildet wird, ermöglicht eine 500–1000-fache Konzentration des Sonnenlichts auf Brennlinien, die an der Oberfläche des Wärmeübertragers angeordnet sind. Beträgt die Aperturweite der Parabolrinne z. B. 8 m und nimmt man an sechs Brennlinien einen Brennstreifen von jeweils 3 mm an, wird das Sonnenlicht ca. 400-fach konzentriert. Mit der dargestellten Konzentratortechnik kann auch eine bis zu 1000-fache Konzentration des Sonnenlichts erzielt werden, indem weniger Brennlinien auf der Oberfläche des Absorberohrs angeordnet werden. Die Erfindung löst auch das Problem der elektrischen Kontaktierung der nur Millimeter großen Stapelsolarzellen, die auf parallel zu den Brennlinien angeordnete Sammelleitungen aufgesteckt werden und den an den Solarzellen gewonnen Gleichstrom ableiten. Auf der strahlungsabgewandten Seite der Stapelsolarzellen kommt der effektivste Mechanismus der Wärmeübertragung in Form eines Zweiphasen-Thermosyphons zum Einsatz. Ein etwa 1 m langes beripptes Wärmeträgerrohr mit 10 mm Durchmesser hat eine Wärmeleistung von etwa 4 kW pro Laufmeter Rohr bei einer angenommenen Temperaturdifferenz von 50°C zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeträgerfluid. Im Falle eines Zweiphasen-Thermosyphons befindet sich die Wärmequelle in der unteren Hälfte eines zylinderförmigen Druckbehälters, während die obere Hälfte z. B. sechs berippte Wärmeträgerrohre als Wärmesenke aufnimmt. Pro Laufmeter Länge eines Parabolrinnenkollektors steht also eine Wärmeleistung von 24 kW für die Kühlung der Solarzellen zur Verfügung. Bei einer angenommenen Energieeinstrahlung von 8 kW pro Meter können maximal 3,2 kW in elektrische Energie gewandelt werden, während etwa 4,8 kW als Wärme auf ein Wärmeträgerfluid übertragen werden. Ein transparentes Hüllrohr, das zwischen der ringförmigen angeordneten Prismen des sekundären Konzentrators und dem Absorberrohr angeordnet ist, verhindert Wärmeverluste und ermöglicht eine vollständige Übertragung der an den Solarzellen absorbierten Wärme auf ein Wärmeträgerfluid. Damit gelingt es, fast die Hälfte der auf eine vorgegebene Apertur eingestrahlten elektromagnetischen Energie der Sonne in Strom umzuwandeln, während die andere Hälfte als Prozesswärme ebenfalls genutzt werden kann. Ein transparentes Hüllrohr, das konzentrisch und koaxial mit einem evakuierten Zwischenraum um einen Wärmeübertrager angeordnet ist, isoliert die Prismen eines sekundären Konzentratorelements und ermöglicht deren kostengünstige Herstellung aus Kunststoff. Unter dem Oberbegriff ”Prismen” sind im Rahmen der Erfindung unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten für radial um die Brennlinie eines primären Konzentratorelements angeordnete Prismen zusammengefasst. Eine erste Prismenanordnung besteht aus einer Vielzahl von Dreiecksprismen, mindestens jedoch aus zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten Dreiecksprismen, die die radialen Strahlen eines primären Konzentratorelements durch Brechung an den Eintrittsseiten, durch Totalreflexion im Inneren der Dreiecksprismen und durch abermalige Brechung an den Austrittsseiten auf eine Brennlinie an der Oberfläche eines Wärmeübertragers fokussieren. Wenn der Einfalls- und der Ausfallswinkel an einem totalreflektierenden Dreiecksprisma identisch sind, bleibt die Fokuslage bei tages- und jahreszeitlich unterschiedlichen Einfallswinkeln der Sonne erhalten. Unerwünschte Strahlablenkungen heben sich einander gegenseitig auf. Eine zweite Prismenanordnung betrifft eine zur Einstrahlungsseite offene Prismenrinne, bei der eine Vielzahl von Prismen in einer radialen Anordnung um die Brennlinie eines primären Konzentratorelements untereinander verbunden sind. Im Falle von rautenförmigen Prismen mit planebenen Seiten erfolgt die Konzentration auf eine Vielzahl von Brennlinien durch zweimalige Brechung der Sonnenstrahlen an den einzelnen rautenförmigen Prismen. Im Falle von Freiform-Prismen können die dem primären Konzentratorelement zugewandten Seiten der Prismen eine einachsige Krümmung aufweisen. Die Anzahl der äußeren, den radialen Strahlen eines primären Konzentratorelements zugewandten Prismenseiten kann ein Vielfaches der inneren, dem Wärmeübertrager zugewandten Prismenseiten betragen, wobei auch hier der Einfallswinkel am Einfallslot den gleichen Betrag hat wie der Ausfallswinkel am Ausfallslot. Eine dritte Prismenanordnung betrifft ein konzentrisch und koaxial zu der Brennlinie eines primären Konzentratorelements angeordnetes Prismenrohr, das wie die Prismenrinne aus einer Vielzahl von einzelnen Prismen aufgebaut ist, die untereinander zu einem allseitig geschlossenen Prismenrohr verbunden sind. Eine vierte Prismenanordnung betrifft ein Polygonrohr, bei dem einzelne Freiform-Prismen mit einer planeben ausgebildeten Innenseite und einer gewölbt ausgebildeten Außenseite zu einem geschlossenen Polygonrohr verbunden sind. Im speziellen Fall eines Polygonrohrs mit einer zylindrischen Außenfläche werden die radialen Strahlen beim Eintritt in das Polygonrohr bzgl. ihrer Ausrichtung auf die Brennlinie eines primären Konzentratorelements nicht gebrochen. Erst beim Austritt aus dem Polygonrohr an einer planeben ausgebildeten inneren Seite des Polygonrohrs werden die radialen Strahlen gebrochen und auf eine Brennlinie an der Oberfläche eines Wärmeübertragers fokussiert. Dabei entspricht die Anzahl der Polygonseiten der Anzahl der Brennlinien an der Oberfläche des Wärmeübertragers, während der Abstand der Prismen zu dem Wärmeübertrager von der Brechzahl des Glases abhängt, aus dem das Polygonrohr besteht. Die Außenseite eines Polygonrohrs, das aus einer Vielzahl von Freiform-Prismen aufgebaut ist, kann einachsig gekrümmte, konvexe Wölbungen aufweisen. Weist das sekundäre Konzentratorelement eine Anordnung von Spiegeln auf, sind folgende Ausführungsvarianten möglich: Mindestens zwei V-förmige und spiegelbildlich zueinander angeordnete Spiegel bilden eine Spiegeleinheit und fokussieren die radialen Strahlen eines primären Konzentratorelements durch Mehrfachreflexion auf eine Brennlinie an der Oberfläche eines Wärmeübertragers. Eine Spiegeleinheit kann aber auch aus einer Vielzahl fächerförmig angeordneter Spiegel bestehen, die jeweils durch Einfachreflexion die radialen Strahlen auf eine oder mehrere Brennlinien an der Oberfläche eines Wärmeübertragers fokussieren. Die Spiegel selbst können durch gebogene Metallklammern mit einem Wärmeübertrager verbunden werden, wobei ein transparentes Hüllrohr vorgesehen ist, das die Spiegel vor Verschmutzung schützt. Durch ein Vakuum zwischen dem Wärmeübertrager und dem transparenten Hüllrohr wird die Wärme weitgehend verlustfrei auf ein Wärmeträgerfluid übertragen. Sind die Spiegel in ein Glasrohr eingebettet, kann dieses Glasrohr selbst als transparentes Hüllrohr ausgebildet werden. Bei einem solarthermischen Parabolrinnenkollektor besteht das Empfängerelement aus einer Vielzahl von Längsnuten, die in die Oberfläche eines Absorberrohrs eingelassen sind. Die sehr hohen Temperaturen, die mit einer 500–1000-fachen Konzentration des Sonnenlichts ermöglicht werden, treten an einer Vielzahl von Brennlinien auf, die innerhalb der Längsnuten eines Absorberrohrs liegen. Die äußere Oberfläche dieser Längsnuten trägt eine absorbierende Beschichtung, die das Sonnenlicht im Wellenlängenbereich von 0,3 μm–1,8 μm absorbiert und zum Beispiel aus Schwarzchrom mit einem Absorptionsgrad von 95% und einem Emissionsgrad von 12% oder aus Schwarznickel mit einem Absorptionsgrad von 97% und einem Emissionsgrad von 10–20% oder aus Titanoxinitrid mit einem Absorptionsgrad von 95% und einem Emissionsgrad von 5% besteht. Diese Längsnuten bilden auf der Innenseite des Absorberrohrs Längsrippen, die dazu ausgebildet sind, die an der absorbierenden Schicht gewonnene Wärme möglichst gleichmäßig auf ein Wärmeträgerfluid zu übertragen. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten wird das Absorberrohr von einem transparenten Hüllrohr umgeben, wobei zwischen beiden Rohren ein Vakuum vorgesehen ist. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung besteht das primäre Konzentratorelement des Parabolrinnenkollektors aus einer einstrahlungsseitig vor dem Empfängerelement angeordneten Prismenfolie, die die parallel einfallenden Strahlenbündel der Sonne auf eine Brennlinie fokussiert. Diese Folie trägt eine Vielzahl dreiecksförmiger Prismen, die so ausgestaltet sind, dass der Einfallswinkel eines Lichtstrahls zum Einfallslot den gleichen Betrag aufweist, wie der Ausfallswinkel zum Ausfallslot. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch schräg einfallende Lichtstrahlen exakt die Brennlinie der Prismenfolie treffen. Streuende Strahlabweichungen heben sich einander gegenseitig auf. Kombiniert man eine Prismenfolie mit einer verspiegelten Parabolrinne, können die Prismen auf einer Folie mit regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet werden, sodass etwa die Hälfte der parallel einfallenden Strahlenbündel der Sonne durch die transparente Prismenfolie auf die verspiegelte Parabolrinne gelangt. In diesem Fall kann ein sekundäres Konzentratorelement radiale Lichtstrahlen allseitig auf voneinander beabstandete Längsnuten in einem Absorberrohr konzentrieren. Auf diese Weise wird eine effektive und gleichmäßige Übertragung der Wärme auf ein Wärmeträgerfluid sichergestellt.
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Typische Ausgestaltungen und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen hervor.
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Es zeigen:
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1 zeigt einen Parabolrinnenkollektor mit einem sekundären Konzentratorelement, das aus zwei Prismen besteht in einem schematischen Querschnitt
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2 zeigt den Strahlengang durch die Prismen des in 1 dargestellten Parabolrinnenkollektors im Querschnitt
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3 zeigt die auf einer Brennlinie in Reihe angeordneten Stapelsolarzellen als Empfängerelemente des in den 1 und 2 dargestellten Parabolrinnenkollektors in der perspektivischen Übersicht
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4 zeigt den Ausschnitt eines Kollektorfelds mit lückenlos angeordneten Parabolrinnenkollektoren, die um eine vertikale Drehachse zur Sonne ausgerichtet werden in einer schematischen Perspektive
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5 zeigt den Ausschnitt eines Kollektorfelds, bei dem die Parabolrinnenkollektoren parallel mit einem Abstand zueinander angeordnet sind und mit einer horizontalen Drehachse zur Sonne ausgerichtet werden, in einer schematischen Perspektive
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6 zeigt einen Parabolrinnenkollektor mit einer Prismenrinne als sekundäres Konzentratorelement in einem schematischen Querschnitt
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7 zeigt den Strahlengang durch die Prismenrinne nach 6 in einem Teilquerschnitt
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8 zeigt den Parabolrinnenkollektor nach 6 und 7 im Querschnitt
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9 zeigt den Parabolrinnenkollektor nach 6–8 in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung
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10 zeigt einen Parabolrinnenkollektor mit einer Prismenrinne im schematischen Querschnitt
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11 zeigt den Parabolrinnenkollektor nach 9 mit Prismenrinne, Wärmeübertrager und Empfängerelementen im Querschnitt
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12 zeigt den Parabolrinnenkollektor nach 10 und 11 in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung
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13 zeigt ein Polygonrohr als sekundäres Konzentratorelement, einen Zweiphasen-Thermosyphon als Wärmeübertrager und PV-Zellen als Empfängerelemente eines Parabolrinnenkollektors im Querschnitt
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14 zeigt den Parabolrinnenkollektor nach 13 in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung
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15 zeigt ein Polygonrohr mit Freiform-Prismen als sekundäres Konzentratorelement, einen Zweiphasen-Thermosyphon als Wärmeübertrager und PV-Zellen als Empfängerelemente eines Parabolrinnenkollektors im Querschnitt
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16 zeigt den Parabolrinnenkollektor nach 15 in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung
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17 zeigt einen solarthermischen Parabolrinnenkollektor mit einem Prismenrohr als sekundärem Konzentratorelement in einem schematischen Übersichtsquerschnitt
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18 zeigt einen solarthermischen Parabolrinnenkollektor mit einer verspiegelten Parabolrinne und einer Prismenfolie als primärem Konzentratorelement und einem Prismenrohr als sekundärem Konzentratorelement in einem schematischen Übersichtsquerschnitt
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19 zeigt ein Prismenrohr mit rautenförmigen Prismen als sekundäres Konzentratorelement, ein Absorberrohr als Wärmeübertrager und Längsnuten als Empfängerelemente eines solarthermischen Parabolrinnenkollektors im Querschnitt
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20 zeigt ein Prismenrohr mit rautenförmigen Prismen als sekundäres Konzentratorelement, ein Absorberrohr als Wärmeübertrager und PV-Zellen als Empfängerelemente eines solarthermischen und photovoltaischen Parabolrinnenkollektors im Querschnitt
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21 zeigt ein Spiegelrohr als sekundäres Konzentratorelement, einen Zweiphasen-Thermosyphon als Wärmeübertrager und PV-Zellen als Empfängerelemente eines solarthermischen und photovoltaischen Parabolrinnenkollektors im Querschnitt
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22 zeigt den Parabolrinnenkollektor nach 21 in einer perspektivischen Übersichtsdarstellung
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1 zeigt das Zusammenwirken eines Kreissegmentspiegels 101 als primäres Konzentratorelement 10 mit einem sekundären Konzentratorelement 11, das von zwei dreiecksförmigen Prismen 110 gebildet wird. Die Brennlinie f des Kreissegmentspiegels 101 wird durch den halben Kreisradius definiert. An der äußeren Mantelfläche des Wärmeübertragers 2, der aus einem Absorberrohr 20 besteht, ist das Empfängerelement 12 in Form von einer Vielzahl von PV-Zellen 120 angeordnet. Der dargestellte Strahlengang zeigt, wie ein paralleles Strahlenbündel Sp der Sonne von dem primären Konzentratorelement 10 als radiale Strahlen Sr auf die Brennlinie f des Kreissegmentspiegels 101 reflektiert wird. Die Prismen 110 konzentrieren die radialen Strahlen Sr in einem konvergenten Strahlenbündel Sk auf eine Brennlinie f1, die an der äußeren Mantelfläche des Absorberrohrs 20 liegt. Bei dem hier dargestellten Parabolrinnenkollektor 1 beträgt der Öffnungswinkel des Kreissegmentspiegels 101 etwa 20 Grad und gleicht damit einer flachen Parabel.
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2 zeigt den Strahlengang durch die Prismen 110 eines sekundären Konzentratorelements 11. Die Prismen 110 sind als totalreflektierende Dreiecksprismen ausgebildet. Die radialen Strahlen Sr durchqueren das transparente Hüllrohr 24 und werden beim Eintritt in ein Prisma 110 gebrochen und an der nächsten Prismenseite totalreflektiert, um an der Austrittsseite des Prismas 110 erneut gebrochen zu werden. Unter der Bedingung, dass der Einfallswinkel α gegenüber dem Einfallslot den gleichen Betrag aufweist wie der Ausfallswinkel δ gegenüber dem Ausfallslot werden die Strahlen des konvergenten Strahlenbündels Sk auch bei unterschiedlichen Einfallswinkeln der Sonne exakt auf eine Brennlinie f1 an der Oberfläche des Wärmeübertragers 2 fokussiert. Für eine möglichst genaue Fokussierung auf die Brennlinie f1 sind die Einstrahlungsseiten der Prismen 110 leicht gewölbt. Eine Vielzahl von PV-Zellen 120, die als nur wenige Millimeter große Stapelsolarzellen ausgebildet sind, bilden an der Oberfläche des Wärmeübertragers 2 das Empfängerelement 12 des Parabolrinnenkollektors 1. An ihren strahlungsabgewandten Seiten sind die PV-Zellen 120 über eine Wärmebrücke 200 mit einer Innenrippe 201 des als Absorberrohr 20 ausgebildeten Wärmeübertragers 2 verbunden. Das Absorberrohr 20 überträgt die Wärme über die Innenrippen 201 unmittelbar auf ein Wärmeträgerfluid 23, wodurch einerseits die PV-Zellen 120 gekühlt werden und andererseits die auf das Wärmeträgerfluid 23 übertragene Wärme genutzt werden kann.
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3 zeigt die auf einer Brennlinie f1 angeordneten PV-Zellen 120 einschließlich der elektrischen Kontakte mit Kathode (+), Anode (–) und Sammelleitungen 205, die parallel zu der Brennlinie f1 an der äußeren Mantelfläche des Absorberrohrs 20 angeordnet und von dem Absorberrohr 20 durch einen Isolator 204 getrennt sind. Mittels von Steckverbindungen können Kathode (+) und Anode (–) der PV-Zellen 120 auf einfachste Weise in Reihe auf der Brennlinie f1 angeordnet werden. Dabei können Module von 500–1000 PV-Zellen 120 gebildet werden wobei der an einem Modul gewonnene Strom in Abständen von einem oder mehreren Metern durch nicht näher dargestellte Querleitungen ausgekoppelt wird.
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4 zeigt eine lückenlose Anordnung mehrerer zueinander paralleler Parabolrinnenkollektoren 1, bei denen das primäre Konzentratorelement 10, das sekundäre Konzentratorelement 11 und das Empfängerelement 12 jeweils eine in sich unverdrehbare Einheit bilden und um eine vertikale, senkrecht zu den Brennlinien f angeordnete Drehachse x zur Sonne ausgerichtet werden. Um die Parabolrinnenkollektoren 1 zur Sonne auszurichten wird eine derartige, beliebig große Kollektorfläche in einem Azimutlager gedreht, das bei einer schwimmenden Solaranlage von einer Wasserfläche gebildet wird.
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5 zeigt Parabolrinnenkollektoren 1, die parallel und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. Dieser Abstand ist notwendig, damit sich die Parabolrinnenkollektoren 1 bei der Nachführung zum jeweiligen Sonnenstand um horizontale, parallel zu den Brennlinien f angeordnete Drehachsen x nicht gegenseitig verschatten. Diese Anordnung eignet sich sowohl für eine Nord-Süd- als auch für eine Ost-West-Ausrichtung der Parabolrinnenkollektoren 1.
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6 zeigt die zweistufige Konzentration eines parallel einfallenden Strahlenbündels Sp der Sonne in einer ersten Stufe durch eine verspiegelte Parabolrinne 100 als primäres Konzentratorelement 10 und in einer zweiten Stufe durch eine einstrahlungsseitig offene Prismenrinne 111 als sekundäres Konzentratorelement 11. Das Größenverhältnis der einzelnen Komponenten des Parabolrinnenkollektors 1 ist im Sinne der Lesbarkeit der Zeichnung nicht maßstäblich dargestellt. Bei einer Aperturweite der verspiegelten Parabolrinne 100 von bis zu 8 m beträgt der Durchmesser des Absorberrohrs 20 nur etwa 95 mm.
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7 zeigt den Strahlengang an einem exemplarischen Sektor des in 6 in einer Übersicht gezeigten Parabolrinnenkollektors 1. Die radialen Strahlen Sr werden beim Durchtritt durch die Prismenrinne 111 zweimal gebrochen. Die strahlungszugewandten Seiten der Prismen 110 sind schwalbenschwanzförmig ausgebildet und weisen eine leichte konvexe Krümmung auf, wobei der Einfallswinkel α am Einfallslot im Wesentlichen denselben Betrag hat wie der Ausfallswinkel δ am Ausfallslot, sodass es auch bei unterschiedlichen Einfallswinkeln der Sonne nicht zu einer Verschiebung der Brennlinien f1–f5 kommt. Auf den Brennlinien f1–f5 ist eine Vielzahl von PV-Zellen 120 als Empfängerelement 12, wie in 3 dargestellt, in Reihe angeordnet. Sammelleitungen 205 verlaufen als Kathode (+) und Anode (–) parallel zu den Brennlinien f1–f5.
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8 zeigt den Querschnitt durch den von einem transparenten Hüllrohr 24 umgebenen Wärmeübertrager 2 nach 6 und 7. Der Wärmeübertrager 2 weist einen Zweiphasen-Thermosyphon mit einem Druckbehälter 21 auf. Zwischen dem transparenten Hüllrohr 24 und dem Druckbehälter 21 sind Prismen 110, die untereinander zu einer Prismenrinne 111 verbunden sind, angeordnet. Als sekundäres Konzentratorelement 11 konzentrieren die Prismen 110 die radialen Strahlen Sr in einer Vielzahl von konvergenten Strahlenbündeln Sk auf insgesamt sieben mit einem radialen Abstand konzentrisch zu der Brennlinie f angeordnete Brennlinien f1–f7 an der äußeren Mantelfläche des Wärmeübertragers 2. Auf den Brennlinien f1–f7 selbst ist, wie in 3 gezeigt, eine Vielzahl von PV-Zellen 120 als Empfängerelement 12 in Reihe geschaltet und an Sammelleitungen 205 mit Kathode (+) und Anode (–) angeschlossen. Der Zweiphasen-Thermosyphon ist in den als Zylinderrohr 202 ausgebildeten Druckbehälter 21 integriert und dient der Ableitung der an den PV-Zellen 120 anfallenden Wärmelast. In der oberen Hälfte des Druckbehälters 21 sind insgesamt sechs berippte Wärmeträgerrohre 212 angeordnet, die von einem Wärmeträgerfluid 23 durchströmt werden und die Wärmesenke 211 des Zweiphasen-Thermosyphons bilden, während die untere Hälfte des Druckbehälters 21 eine Strömungsleiteinrichtung 22 aufnimmt und die Wärmequelle 210 des Zweiphasen-Thermosyphons bildet. Die Strömungsleiteinrichtung 22 umfasst ein Leitblech 220 für das in seiner Flüssigphase von den berippten Wärmeträgerrohren 212 abtropfende Arbeitsmedium, das von dem Leitblech 220 in einen Zwischenraum 221 zwischen der Innenseite des Druckbehälters 21 und einer konzentrisch zu dem Druckbehälter 21 angeordneten Dampfbremse 222 geleitet wird. Bei Wärmeeintrag seitens der PV-Zellen 120 verdampft das Arbeitsmedium und gelangt als Dampf durch mikroporöse Öffnungen in der Dampfbremse 222 in den Arbeitsraum 225 des Zweiphasen-Thermosyphons. Durch Dampfdurchtrittsöffnungen 223 in dem Leitblech 220 steigt der Dampf in die obere Hälfte des Druckbehälters 21, um erneut an den berippten Wärmträgerrohren 212 zu kondensieren. Der Zweiphasen-Thermosyphon ist für eine Ausrichtung zum Sonnenstand mit vertikaler Drehachse x entsprechend der in 4 dargestellten Kollektoranordnung vorgesehen.
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9 zeigt den in 8 dargestellten Querschnitt als perspektivische Abschnittsdarstellung, aus der die Funktionsweise des in einen Druckbehälter 21 integrierten Zweiphasen-Thermosyphons noch deutlicher hervorgeht. In der oberen Hälfte des Druckbehälters 21 sind berippte Wärmeträgerrohre 212 angeordnet, die von einem Wärmeträgerfluid 23 durchströmt werden, und bilden die Wärmesenke 211 des Zweiphasen-Thermosyphons. Die untere Hälfte des Druckbehälters 21 bildet die Wärmequelle 210 des Zweiphasen-Thermosyphons und nimmt eine Strömungsleiteinrichtung 22 auf. Die Wärmequelle 210 befindet sich auf der Innenseite des Druckbehälters 21. Das als Kondensat von dem berippten Wärmeträgerrohren 212 abtropfende Arbeitsmedium sammelt sich in einem Zwischenraum 221 zwischen einer konzentrisch zu dem Druckbehälter 21 angeordneten Dampfbremse 222 und der Innenseite des Druckbehälters 21. Da die Dampfbremse 222 wasserdicht aber dampfdurchlässig ausgebildet ist, bedarf es eines gewissen Dampfdrucks, damit das Arbeitsmedium als Dampf die Dampfbremse passieren kann und in den zentralen Arbeitsraum des Zweiphasen-Thermosyphon einströmt, um durch Dampfdurchtrittsöffnungen 223 zu den berippten Wärmträgerrohren 212 aufzusteigen. Der in ein Zylinderrohr 202 integrierte Zweiphasen-Thermosyphon ist für die in 4 dargestellte Anordnung von Parabolrinnenkollektoren 1 mit vertikaler Drehachse x geeignet.
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10 zeigt den schematischen Querschnitt durch einen Parabolrinnenkollektor 1, der der in 5 dargestellten Anordnung entspricht. Der Wärmeübertrager 2 weist bei diesem Beispiel einen Druckbehälter 21 auf, der im Querschnitt als Flachovalrohr 203 ausgebildet ist. Das Zusammenwirken der verspiegelten Parabolrinne 100 als primäres Konzentratorelement 10 mit den Prismen 110 als sekundäres Konzentratorelement 11 und den PV-Zellen 120 als Empfängerelemente 12 wird in 11 näher erläutert.
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11 zeigt einen Wärmeübertrager 2, der einen in ein Flachovalrohr 203 integrierten Zweiphasen-Thermosyphon aufweist. Die Strömungsleiteinrichtung 22 des Zweiphasen-Thermosyphons ermöglicht eine Ausrichtung des Parabolrinnenkollektors 1 zum jeweiligen Sonnenstand durch Verschwenken um eine horizontale Drehachse x. Bis zu einem Grenzwinkel von etwa 25 Grad gegenüber der Horizontalen ist sichergestellt, dass das als Flüssigphase von den berippten Wärmeträgerrohren 212 abtropfende Arbeitsmedium von der Strömungsleiteinrichtung 22 in den Zwischenraum 221 zwischen der Innenseite des Flachovalrohrs 203 und der konzentrisch dazu angeordneten Dampfbremse 222 geleitet wird. Um die Innenseite des Druckbehälters 21 im Bereich der auf den Brennlinien f1–f7 angeordneten PV-Zellen 120 mit der Flüssigphase des Arbeitsmediums vollständig zu benetzen, ist eine kapillare Struktur 224 in dem Zwischenraum 221 vorgesehen. Wie in 12 gezeigt, bildet eine verspiegelte Parabolrinne 100 das primäre Konzentratorelement 10 des Parabolrinnenkollektors 1. Sechs rautenförmige und zwei dreiecksförmige Prismen 110 mit planebenen Seiten sind untereinander zu einer Prismenrinne 111 verbunden und bilden das sekundäre Konzentratorelement 11 des Parabolrinnenkollektors 1. Die randständigen dreiecksförmige Prismen 110 sind jeweils als totalreflektierende Prismen 110 ausgebildet. Als dritte Konzentratorstufe sind Reflektoren 206 an den den PV-Zellen 120 zugekehrten Oberflächen der Sammelleitungen 205 vorgesehen, sodass alle Strahlen eines konvergenten Strahlenbündeln Sk auf eine der Brennlinien f1–f7 konzentriert werden.
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12 zeigt den Parabolrinnenkollektor 1 nach 10 und 11, dessen Wärmeübertrager 2 von einem in ein Flachovalrohr 203 integrierten Zweiphasen-Thermosyphon gebildet wird. Am oberen Ende des Flachovalrohrs 203 bilden insgesamt sechs von einem Wärmeträgerfluid 23 durchströmte, berippte Wärmeträgerrohre 212 die Wärmesenke 211 des Zweiphasen-Thermosyphons. Am unteren Ende des Flachovalrohrs 203 befindet sich die Wärmequelle 210 des Zweiphasen-Thermosyphons, die von auf ihrer strahlungsabgewandten Seite über Wärmebrücken 200 mit dem Flachovalrohr 203 verbundenen PV-Zellen 120 gebildet wird. Wie in 11 gezeigt sind die PV-Zellen 120 auf insgesamt sieben Brennlinien f1–f7 angeordnet und mit dem Flachovalrohr 203 über Wärmebrücken 200 verbunden. Konzentrisch zur strahlungsabgewandten Innenseite des Flachovalrohrs 203 ist eine flüssigkeitsdichte und dampfdurchlässige Dampfbremse 222 angeordnet. Bei Wärmeeintrag seitens der PV-Zellen 120 gelangt das Arbeitsmediums als Dampf in den zentralen Arbeitsraum 225 und steigt über Dampfdurchtrittsöffnungen 223 am oberen Ende der Strömungsleiteinrichtung 22 zu den berippten Wärmeträgerrohren 212 auf, wo es kondensiert und als Flüssigkeit erneut in den Zwischenraum 221 zwischen der Innenseite des Druckbehälters 21 und der Dampfbremse 222 geleitet wird.
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13 zeigt den Querschnitt durch einen Parabolrinnenkollektor 1, bei dem das sekundäre Konzentratorelement 11 von einem Polygonrohr 113 gebildet wird, dessen einstrahlungsseitige Außenkontur zylinderförmig ausgebildet ist, während die Innenkontur auf ihrer einer verspiegelten Parabolrinne zugewandten Seite polygonal ausgebildet ist und sieben planebene Prismenseiten aufweist. Radiale Strahlen Sr ändern beim Eintritt in das Polygonrohr 113 ihre radiale Ausrichtung nicht und werden von den Prismenflächen an der Innenseite des Prismenrohrs zu sieben konvergenten Strahlenbündeln Sk ausgerichtet und auf insgesamt sieben Brennlinien f1–f7 konzentriert. Auf den Brennlinien f1–f7 sind PV-Zellen 120 angeordnet, die auf ihrer strahlungsabgewandten Seite über Wärmebrücken 200 mit einem Wärmeübertrager 2 verbunden sind. Wie in 8 und 9 erläutert, ist der Wärmeübertrager 2 als ein in ein Zylinderrohr 202 integrierter Zweiphasen-Thermosyphon ausgebildet.
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14 zeigt den Parabolrinnenkollektor 1 nach 13 in einer perspektivischen Abschnittsdarstellung. Zwischen dem Absorberrohr 20 und dem Polygonrohr 113 ist ein Vakuum V vorgesehen, um die an den PV-Zellen 120 absorbierte Wärme möglichst verlustfrei auf ein in den berippten Wärmeträgerrohren 212 zirkulierendes Wärmeträgerfluid 23 zu übertragen.
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15 zeigt ein Parabolrinnenkollektor 1, dessen sekundäres Konzentratorelement 11 von einem Polygonrohr 113 und dessen Wärmeübertrager 2 von einem Zweiphasen-Thermosyphon und dessen Empfängerelement 12 von einer Vielzahl von PV-Zellen 120 gebildet wird. Das sekundäre Konzentratorelement 11 besteht aus insgesamt sieben radial um die Brennlinie f eines primären Konzentratorelements angeordneten Freiform-Prismen 110, deren den radialen Strahlen Sr zugewandten Seiten eine konvexe Wölbung aufweisen, während die dem Wärmeübertrager 2 zugewandten Seiten ein achteckiges Polygon bilden. Die Freiform-Prismen 110 können auch als Linearlinsen bezeichnet werden und sind untereinander zu einem Polygonrohr 113 verbunden. Jedes der sieben Freiform-Prismen 110 fokussiert die radialen Strahlen Sr präzise auf Brennlinien f1–f7 an der Oberfläche des Wärmeübertragers 2. Auf den Brennlinien f1–f7 selbst ist eine Vielzahl von, den konvergenten Strahlen Sk zugewandten PV-Zellen 120 angeordnet. Auf ihrer strahlungsabgewandten Seite sind die PV-Zellen 120 über Wärmebrücken 200 mit dem Druckbehälter 21, der von einem Zylinderrohr 202 gebildet wird, verbunden. In der unteren Hälfte des Zylinderrohrs 202 befindet sich die Wärmequelle 210 und in der oberen Hälfte des Zylinderrohrs 202 die Wärmesenke 211 des Zweiphasen-Thermosyphons. Das physikalische Prinzip der Wärmeübertragung entspricht dem in den 8 und 9 erläuterten Beispiel.
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16 zeigt die in 15 erläuterte Anordnung eines Polygonrohrs 113 als sekundäres Konzentratorelement 11 und eines in den Druckbehälter 21 integrierten Zweiphasen-Thermosyphons als Wärmeübertrager 2. Eine Vielzahl von PV-Zellen 120 ist, wie in 15 gezeigt, den Brennlinien f1–f7 zugeordnet. Die Dampfbremse 222 ist in der unteren Hälfte des Zweiphasen-Thermosyphons konzentrisch zu dem Zylinderrohr 202 angeordnet und bildet einen Zwischenraum 221, in dem sich die Flüssigphase eines phasenwechselnden Arbeitsmediums sammelt. Die Dampfbremse 222 besteht entweder aus einem mikroporösen Metallblech oder aus einem Metallgewebe, die jeweils wasserdicht aber dampfdurchlässig sind. Zwischen dem z. B. aus Borosilikatglas gezogenen Polygonrohr 113 und dem Druckbehälter 21 ist ein Vakuum V vorgesehen, sodass die von den PV-Zellen 120 absorbierte Wärme möglichst vollständig auf das in den sechs berippten Wärmeträgerrohren 212 geführte Wärmeträgerfluid 23 übertragen wird.
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17 zeigt den schematischen Querschnitt durch einen Parabolrinnenkollektor 1 als solarthermischen Kollektor mit einer zweistufigen Konzentratortechnik. Das primäre Konzentratorelement 10 weist eine verspiegelte Parabolrinne 100 auf, die die parallelen Strahlenbündel Sp der Sonne als radiale Strahlen Sr auf die Brennlinie f der Parabolrinne 100 fokussiert. Das sekundäre Konzentratorelement 11 weist Prismen 110 auf, die auf der der Parabolrinne 100 zugewandten Seite untereinander zu einem Prismenrohr 112 verbunden sind, das die radiale Strahlen Sr auf insgesamt sechs Brennlinien konzentriert. Die Brennlinien sind, wie in 19 gezeigt, innerhalb von Längsnuten 121 an der äußeren Oberfläche des Absorberrohrs 20 angeordnet.
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18 zeigt den schematischen Querschnitt durch einen solarthermischen Parabolrinnenkollektor 1, bei dem das primäre Konzentratorelement 10 eine Kombination aus einer verspiegelten Parabolrinne 100 und einer einstrahlungsseitig angeordneten Prismenfolie 102 mit einer gemeinsamen Brennlinie f gebildet wird. Dreiecksförmige Prismen sind mit einem horizontalen Abstand zueinander auf der Prismenfolie 102 so angeordnet, dass eine erste Hälfte des parallelen Strahlenbündels Sp der Sonne auf die Brennlinie f konzentriert wird, während eine zweite Hälfte des parallelen Strahlenbündels Sp von der Prismenfolie 102 durchgelassen und von der verspiegelten Parabolrinne 100 auf die Brennlinie f konzentriert wird. Das Prismenrohr 112 kann deshalb als gleichmäßig mit Prismen 110 besetztes Sternrohr ausgebildet werden. Der Vorteil einer allseitigen Konzentration des parallelen Strahlenbündels Sp der Sonne auf ein Prismenrohr 112 wird in 19 näher erläutert.
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19 zeigt den Querschnitt durch das in 18 beschriebene Prismenrohr 112 aus rautenförmigen Prismen 110 mit planeben ausgebildeten Prismenseiten. Der Wärmeübertrager 2 ist als Absorberrohr 20 mit einer gewellten Außen- und Innenkontur ausgebildet. Das Empfängerelement 12 weist zwölf Längsnuten 121 mit einer absorbierden Beschichtung 122 in der äußeren Mantelfläche des Absorberrohrs 20 auf. Die Brennlinien f1–f12 des Prismenrohrs 112 sind innerhalb der Längsnuten 121 angeordnet. Die allseitige Wärmeübertragung von dem Absorberrohr 20 auf ein Wärmeträgerfluid 23 ist besonders effektiv.
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20 zeigt einen Parabolrinnenkollektor 1 als photovoltaischen und solarthermischen Kollektor mit einer dreistufigen Konzentratortechnik. Wie in 18 erläutert, besteht das primäre Konzentratorelement 10 aus der Kombination einer Prismenfolie 102 und einer verspiegelten Parabolrinne 100, während das sekundäre Konzentratorelement 11 von einem allseitig das Absorberrohr 20 umschließenden Prismenrohr 112 aus rautenförmigen Prismen 110 mit planebenen Prismenseiten gebildet wird. Die dritte Konzentratorstufe wird von Reflektoren 206 an den den PV-Zellen 120 zugewandten Oberflächen der Sammelleitungen 205 gebildet. Die dreistufige Konzentratortechnik ermöglicht eine Fokussierung der parallelen Strahlenbündel der Sonne auf insgesamt zwölf nur 2–3 mm breite Brennlinien f1–f12.
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21 zeigt den Teilquerschnitt durch einen Parabolrinnenkollektor 1, der in seinem Aufbau der in 4 dargestellten Übersicht entspricht. Der Wärmeübertrager 2 weist einen Druckbehälter 21 auf, der von einem Zylinderrohr 202 gebildet wird und den Arbeitsraum 225 für einen Zweiphasen-Thermosyphon bildet. Die auf die Brennlinie f einer verspiegelten Parabolrinne 100 zentrierten radialen Strahlen Sr werden bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung von einem Spiegelrohr 115 auf insgesamt sechs Brennlinien f1–f6 an der einstrahlungsabgewandten Seite des Zylinderrohrs 202 fokussiert. Insgesamt sechs Spiegeleinheiten, die jeweils aus einer Vielzahl von fächerförmig angeordneten, ebenen Spiegeln 114 aufgebaut und auf die Brennlinien f1–f6 ausgerichtet sind, konzentrieren die radialen Strahlen Sr durch einfache Reflexion an jedem einzelnen Spiegel 114 zu konvergenten Strahlenbündeln Sk, die auf die Brennlinien f1–f6 gerichtet sind. In der oberen Hälfte des Zylinderrohrs 202 bilden insgesamt sechs berippte Wärmeträgerrohre 212 die Wärmesenke 211 des Zweiphasen-Thermosyphons. In der unteren Hälfte des Zylinderrohrs 202 bildet die innere Oberfläche des Zylinderrohrs 202 die Wärmequelle 210 des Zweiphasen-Thermosyphons und ist über Wärmebrücken 200 mit der strahlungsabgewandten Seite der PV-Zellen 120 an der äußeren Mantelfläche des Zylinderrohrs 202 verbunden. Das als Kondensat von den berippten Wärmeträgerrohren 212 abfließende Arbeitsmedium sammelt sich in einem Zwischenraum 221 zwischen der Innenseite des Zylinderrohrs 202 und einer konzentrisch zu dem Zylinderrohr angeordneten Strömungsleiteinrichtung 22. Die Strömungsleiteinrichtung 22 weist eine Dampfbremse 222 auf, durch die das Arbeitsmedium bei Wärmeeintrag seitens der PV-Zellen 120 als Dampf aus dem Zwischenraum 221 in den zentralen Bereich des Arbeitsraums 225 gelangt und durch Dampfdurchtrittsöffnungen 223 zu der von den berippten Wärmeträgerrohren 212 gebildeten Wärmesenke 211 aufsteigt. In dem Zwischenraum 221 ist eine kapillare Struktur 224 für eine allseitige Benetzung der inneren Oberfläche des Zylinderrohrs 202 vorgesehen, sodass der Parabolrinnenkollektor 1 zur Sonne geneigt werden kann und damit sowohl für die in 4 als auch in 5 beschriebene Kollektoranordnung geeignet ist.
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22 zeigt einen perspektivisch dargestellten Längsabschnitt des Parabolrinnenkollektors
1 nach
21. Das Spiegelrohr
115 ist konzentrisch und koaxial zu dem Zylinderrohr
202, das als Druckbehälter
21 den Zweiphasen-Thermosyphon aufnimmt, angeordnet. Die einzelnen Spiegel
114 der sechs Spiegeleinheiten sind in ein Spiegelrohr
115 aus Glas integriert. Auf der Außenseite des Zylinderrohrs
202 bildet eine Vielzahl von in Reihe angeordneten PV-Zellen
120, die von parallelen Sammelleitungen
205 mit Anode (–) und Kathode (+) flankiert werden, das Empfängerelement
12 des Parabolrinnenkollektors
1. Ein Vakuum zwischen dem Zylinderrohr
202 und dem Spiegelrohr
115 dient der Vermeidung von Wärmeverlusten bei der Übertragung der an den PV-Zellen
120 absorbierten Wärme auf das in den berippten Wärmeträgerrohren
212 geführte Wärmeträgerfluid
23. Bezugszeichenübersicht
| Parabolrinnenkollektor | 1 | Wärmeübertrager | 2 |
| Primäres Konzentratorelement | 10 | Absorberrohr | 20 |
| Brennlinie | f | Wärmebrücke | 200 |
| Verspiegelte Parabolrinne | 100 | Innenrippe | 201 |
| Kreissegmentspiegel | 101 | Zylinderrohr | 202 |
| Prismenfolie | 102 | Flachovalrohr | 203 |
| Sekundäres Konzentratorelement | 11 | Isolator | 204 |
| Brennlinien | f1–fn | Sammelleitung | 205 |
| Prismen | 110 | Reflektor | 206 |
| Prismenrinne | 111 | Kathode | (+) |
| Prismenrohr | 112 | Anode | (–) |
| Polygonrohr | 113 | Druckbehälter | 21 |
| Spiegel | 114 | Wärmequelle | 210 |
| Spiegelrohr | 115 | Wärmesenke | 211 |
| Empfängerelement | 12 | Beripptes Wärmeträgerrohr | 212 |
| PV-Zelle | 120 | Strömungsleiteinrichtung | 22 |
| Längsnut | 121 | Leitblech | 220 |
| Absorbierende Beschichtung | 122 | Zwischenraum | 221 |
| Drehachse | x | Dampfbremse | 222 |
| Paralleles Strahlenbündel | Sp | Dampfdurchtrittsöffnung | 223 |
| Radiale Strahlen | Sr | Kapillare Struktur | 224 |
| Konvergentes Strahlenbündel | Sk | Arbeitsraum | 225 |
| Einfallswinkel | α, α' | Wärmeträgerfluid | 23 |
| Brechungswinkel | β, β' | Transparentes Hüllrohr | 24 |
| Reflexionswinkel | γ | Unterdruck | U |
| Ausfallswinkel | δ | Vakuum | V |
| Überdruck | P | | |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 443235 [0004]
- EP 0767889 [0004]
- DE 10305428 [0004]
- DE 102009040601 [0004]
