DE102017009212A1

DE102017009212A1 - Ein optisches Cassegrain-Parabolspiegelsystem zur Erzeugung von Prozesswärme durch Solarstrahlung

Info

Publication number: DE102017009212A1
Application number: DE102017009212.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2019-04-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Cassegrain-Parabolspiegelsystem, bei dem die speziell geformte Reaktionsfläche der Reaktionskammer zur Erzeugung von Prozesswärme, hinter dem Parabolspiegel in seinem Brennpunkt liegt.Alle weiteren Komponenten zur Nutzung der Prozesswärme liegen ebenfalls hinter dem Parabolspiegel.Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo sich die Reaktionskammer vor dem Parabolspiegel in seinem Brennpunkt befindet und alle Zu- und Ableitungen zur Verarbeitung der Prozesswärme über die Tragarme der Reaktionskammer auf den Boden geleitet werden müssen, ergeben sich dadurch Vorteile bezüglich der Gestaltung und der Konstruktion des gesamten Parabolspiegelsystems.Weiterhin erfolgt beim Cassegrain-Parabolspiegelsystem weniger Abschattung der offenen Fläche des Parabolspiegels, bedingt durch den Sekundärspiegel, als bei Systemen nach dem Stand der Technik, bedingt durch die Größe der Reaktionskammer,.Der Parabolspiegel des Cassegrain-Parabolspiegelsystems folgt in zwei Achsen dem Lauf der Sonne, während die Reaktionskammer und alle weiteren Komponenten zur Verarbeitung der Prozesswärme ruhend hinter dem Parabolspiegel angeordnet sind und nur, synchron mit dem Parabolspiegel und damit dem Gesamtsystem, dem Stundenkreis folgen.

Description

Optische Parabolspiegelsysteme dienen dazu, die Solarstrahlung im Brennpunkt des Parabolspiegels zu fokussieren. In diesem Brennpunkt befindet sich eine Reaktionskammer und in dieser wird die fokussierte Solarstrahlung auf ein Wärmeträgermedium übertragen, um damit Prozesswärme zu erzeugen.
Mögliche technische Anwendungen:

1 Ist das Wärmeträgermedium ein Gas, lassen sich damit zum Beispiel vielfältige Trocknungsprozesse durchführen. Weiterhin ist es denkbar, auf diese Weise einen Sterlingmotor zu betreiben.
2 Ist das Wärmeträgermedium ein entgastes Öl, kann mit diesem die erzeugte Wärme zur weiteren Verwendung an einen Wärmetauscher geleitet werden.
3 Ist das Wärmeträgermedium Wasser, lässt sich Wasserdampf erzeugen, zum Beispiel zum Betrieb einer Dampfturbine, die wiederum einen elektrischen Generator antreibt und Strom erzeugt.
4 Ebenfalls ist es möglich, mit diesem System Trinkwasser durch Verdampfung von Meerwasser oder Brackwasser zu erzeugen.

Für den Markt werden optische Parabolspiegesysteme angeboten, die Prozesswärme erzeugen.
Allen angebotenen Parabolspiegelsystemen ist gemeinsam, dass die Reaktionskammer vor dem Parabolspiegel sitzt.
Diese Systeme bestehen im Allgemeinen aus einem konkaven Parabolspiegel mit optisch reflektierender Innenfläche, in dessen Brennpunkt sich eine Reaktionskammer befindet. Diese Reaktionskammer ist also vor dem Parabolspiegel angeordnet, in Richtung auf die Sonne.
Daraus ergeben sich einige Nachteile:

- die Reaktionskammer schattet, abhängig von ihrer Größe, einen Teil der Spiegelfläche des Parabolspiegels ab,
- alle Zu- und Ab-Leitungen des Wärmeträger-Mediums müssen über die Tragarme der Reaktionskammer hinter den Parabolspiegel bzw. auf den Boden des Gesamtsystems geführt werden,
- in Abhängigkeit von der Größe, damit der Masse der Reaktionskammer, und der Brennweite des Parabolspiegels ergibt sich ein Biegemoment am Gesamtsystem, das sowohl massive Tragarme für die Reaktionskammer erfordert als auch eine massive Konstruktion des gesamten Parabolspiegel-Systems.

Ein Beispiel für ein solches Parabolspiegel-System:

http://www.construction-control.com/pages/energyrenovar/parabolspiegeldirektverdampfer.php

Die vorliegende Erfindung vermeidet alle oben beschriebenen Nachteile dadurch, dass die Reaktionskammer zur Erzeugung von Prozesswärme hinter dem optischen Parabolspiegelsystem angeordnet ist.
Damit werden große Biegemomente vor dem Parabolspiegel und am Parabolspiegel vermieden.
Dadurch kann weiterhin die gesamte Konstruktion des Parabolspiegelsystems schlanker und damit kostengünstiger ausgeführt werden.
In der vorliegenden Erfindung wird für die Erzeugung von Prozesswärme durch Solarstrahlung ein optisches Cassegrain-Parabolspiegelsystem verwendet.
Dieses optische Parabolspiegel-System nach Cassegrain ist Stand der Technik.
Mit Bezug auf die schematische Darstellung in 1 besteht das optische Cassegrain-Parabolspiegelsystem aus einem konkaven Parabolspiegel, dem Primärspiegel (1), aus einem geeigneten Material wie Glas oder Glaskeramik, Metall oder Kunststoff, oder einem Verbund aus den genannten Materialien, der in seinem axialen Mittelpunkt eine Bohrung (3) mit geeignetem Durchmesser enthält. Die innere Oberfläche des Parabolspiegels ist optisch reflektierend.
Oberhalb dieses Parabolspiegels, in Richtung auf die Sonne, befindet sich an mindestens einer Strebe, typisch aber an drei Streben, achsensymmetrisch ein runder, koaxialer Sekundärspiegel (2), dessen ebenfalls verspiegelte Oberfläche auf den Primärspiegel weist.
Das optische Cassegrain-Spiegelsystem wird in einer mechanischen Halterung gelagert (nicht dargestellt),
die das System der Position der Sonne in zwei Achsen nachführt.
Wird das Parabolspiegel-System auf die Sonne ausgerichtet, bündelt der Primärspiegel die einfallende Solarstrahlung in Richtung auf den Sekundärspiegel, der wiederum die Strahlung durch die zentrische Bohrung (3) im Primärspiegel in einem Punkt, dem Brennpunkt (4), bündelt.
Die einfallende Solarstrahlung wird immer hinter dem Spiegel in einem Brennpunkt, typisch jedoch in einem Brennfleck gebündelt und erzeugt Wärme auf einer Fläche.
Eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 2 dargestellt.
Eine Reaktionskammer (5) sitzt hinter dem Cassegrain-Spiegelsystem, ist mit dem Parabolspiegel jedoch nicht fest verbunden.
Dadurch, dass die Reaktionskammer hinter dem Parabolspiegel angeordnet ist, entstehen kurze Wege, um die durch Solarstrahlung erzeugte Prozesswärme weiter zu leiten.
Der Brennfleck (4) des Cassegrain-Parabolspiegelsystems trifft an der Reaktionskammer (5) auf eine Reaktionsfläche (6).
Diese Reaktionsfläche besteht aus einem hoch temperaturbeständigen Material. Die Reaktionsfläche kann weiterhin selektiv beschichtet sein (6.1).
Die Breite der Reaktionsfläche richtet sich nach der Breite des erzeugten Brennflecks (4).
Die Größe der Reaktionskammer (5) ist nur in der Breite der Reaktionsfläche (6) definiert. Außerhalb dieser Fläche kann kann sie jede technisch notwendige Form und Größe aufweisen.
Die Reaktionsfläche (6) ist konkav Kreissegment-förmig gebogen.
Unabhängig von der Höhe des Sonnenstands und damit der Neigung des Cassegrain-Spiegelsystems liegt bei dieser Anordnung der Brennfleck (4) immer auf der konkaven Reaktionsfläche.
Im Inneren der Reaktionskammer (5) befindet sich ein Wärmeleitsystem
(nicht dargestellt),
um die an der Reaktionsfläche (6) entstehende Solarwärme an ein Wärmeträger-Medium zu übertragen.
An der Reaktionskammer (5) sind weiterhin ein Einlass (7) sowie ein Auslass (8) für das Wärmeträger-Medium angeordnet.
Unter der Reaktionskammer (5) sitzt eine Verstellvorrichtung, mit der die Reaktionskammer in 3 Achsen x/y/z verstellt werden kann
(nicht dargestellt).
Bezugszeichenliste

1

1

Primärspiegel mit innerer verspiegelter Oberfläche

2

Sekundärspiegel mit äußerer verspiegelter Oberfläche

3

axiale Bohrung im Primärspiegel

4

Brennpunkt
2

5

Reaktionskammer

6

Reaktionsfläche

6.1

Optisch selektive Beschichtung

7

Einlass

8

Auslass

Claims

Ein optisches Cassegrain-Spiegelsystem zur Erzeugung von Prozesswärme durch Solarstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass es:
aus einem optischen Parabolspiegel-System nach Cassegrain besteht, das die Solarstrahlung in einem Brennfleck (4), hinter dem Primärspiegel (1), auf die Reaktionsfläche (6) einer Reaktionskammer (5) fokussiert.
Die Reaktionskammer (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Reaktionskammer mechanisch nicht mit dem Primärspiegel (1) des optischen Cassegrain-Spiegelsytems verbunden ist, 2.1 die Reaktionskammer nur in der Breite der Reaktionsfläche (6) definiert ist 2.2 die Reaktionskammer außerhalb dieser Fläche jede technisch notwendige Form und Größe aufweisen kann, 2.3 die Reaktionskammer mit einer Verstellvorrichtung in drei Achsen, relativ zum Brennfleck des Parabolspiegels (1), verstellt werden kann.
Die Reaktionskammer (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Reaktionsfläche (6) konkav Kreissegment-förmig gebogen ist, 3.1 die Reaktionsfläche aus einem hoch temperaturbeständigen Material besteht, 3.2 die Reaktionsfläche eine selektive Beschichtung (6.1) aufweist, 3.3 die Breite der Reaktionsfläche mit der Breite des Brennflecks des Cassegrain-Spiegelsystems korreliert.