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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solarspiegel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein solcher Solarspiegel ist gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere in einer Solarkochvorrichtung verwendbar, die neben dem Solarspiegel eine im Brennpunkt des Solarspiegels positionierte Wärmesenke aufweist, wobei die Wärmesenke als Wärmespeicher, Ofen, Grill und/oder Topf ausgeführt ist.
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Eine Solarkochvorrichtung, wie sie die vorliegende Erfindung insbesondere betrifft, wird beispielsweise in
DE 10 2016 225 931 A1 offenbart. Bevorzugt ist der dort offenbarte Wärmespeicher auch bei der vorliegenden Erfindung verwendbar. Der Wärmespeicher ist im Brennpunkt eines Solarspiegels positioniert, sodass in den Solarspiegel einfallende Solarstrahlung von der verspiegelten konkaven Oberfläche des Solarspiegels reflektiert und in dem Brennpunkt mit dem Wärmespeicher konzentriert wird. Die im Brennpunkt konzentrierte Solarstrahlung ist dabei derart intensiv, dass sie erhebliche gesundheitliche Schäden oder einen Brand auslösen kann, wenn der Brennpunkt versehentlich auf einen Körperteil einer Person oder ein brennbares Bauteil gerichtet wird. Dieses Problem wird dann verschärft, wenn der Solarspiegel oder dessen Brennpunkt verstellbar ist.
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Neben dem zuvor genannten Einsatzgebiet in einer Solarkochvorrichtung ist die vorliegende Erfindung auch für die Verwendung von Solarenergie zu anderen Einsatzzwecken anwendbar, beispielsweise zur Erzeugung von Wärmeenergie in einem geschlossenen oder offenen Wärmekreislauf oder der Prozessindustrie. Ein besonderer Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung ist die Gewinnung von Treibstoff aus Kohlendioxid. Hierbei werden CO2 und Wasser aus der Umgebungsluft abgeschieden und mit der mit dem Solarspiegel fokussierten Sonnenstrahlung und der darin enthaltenen Solarenergie aufgespalten. Das hieraus erzielte Produkt, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, auch Syngas genannt, wird anschließend zu Kerosin, Methanol oder anderen Kohlenwasserstoffen weiterverarbeitet. Die Abscheidung von CO2 und Wasser aus der Umgebungsluft kann durch einen Adsorption-Desorption-Prozess erreicht werden, beides kann einem Solarreaktor im Brennpunkt des Solarspiegels zugeführt werden, sodass im Inneren des Reaktors bevorzugt Prozesswärme mit einer Temperatur von 1500° C oder mehr zur Verfügung steht. In einer keramischen Struktur, beispielsweise aus Ceriumoxid, kann insbesondere in einer zweistufigen Reaktion, auch Redox-Zyklus genannt, aus Wasser und CO2 Syngas hergestellt werden. Die Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid kann zum Beispiel mittels konventionaler Methanol- oder Fischer-Tropsch-Synthese in flüssige Treibstoffe weiterverarbeitet werden.
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Auch bei diesen Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Solarspiegels besteht das genannte Risiko der Schädigung eines Körperteils oder des Auslösen eines Brandes.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarspiegel anzugeben, bei welchem das genannte Risiko einer Schädigung eines Körperteils einer Person oder das Auslösen eines Brandes zumindest erheblich minimiert oder ausgeschlossen wird. Der Wirkungsgrad des Solarspiegels soll dabei möglichst nicht beeinträchtigt werden und die Herstellung des Solarspiegels soll kostengünstig möglich sein.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Solarspiegel mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Solarspiegel weist einen konkav gewölbten Grundkörper auf, der zumindest auf seiner konkaven Oberfläche verspiegelt ausgeführt ist, um einfallende Solarstrahlung zu reflektieren und in einem Brennpunkt zu konzentrieren. Der Grundkörper kann einteilig oder starr ausgeführt sein oder auch gegeneinander verstellbare Segmente aufweisen.
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Der gewölbte Grundkörper hat eine Eintrittsfläche für die Solarstrahlung, die von einem Rand des Grundkörpers, der die konkave Oberfläche vollumfänglich begrenzt, umschlossen wird und welche einen Innenraum des Grundkörpers begrenzt. Die Eintrittsfläche schließt den hohlen Grundkörper sozusagen geometrisch ab.
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Der Solarspiegel beziehungsweise dessen konkav gewölbter Grundkörper ist insbesondere als Hohlspiegel in Form eines Rotationsparaboloids ausgeführt.
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Erfindungsgemäß sind an der Eintrittsfläche, die in der Regel eben ist, über der Eintrittsfläche verteilt angeordnete plattenförmige Stege vorgesehen, die eine Höhe aufweisen, die sich senkrecht oder winklig zur Eintrittsfläche erstreckt, und eine Länge aufweisen, die sich entlang der Eintrittsfläche erstreckt.
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Die Höhe der Stege beträgt insbesondere ein Vielfaches von deren Dicke, wobei die Dicke quer beziehungsweise senkrecht zur Länge der Stege und entlang der Eintrittsfläche gemessen wird.
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Insbesondere bei einer senkrechten Anordnung der plattenförmigen Stege an der Eintrittsfläche wird die für die einfallende Solarstrahlung wirksame Fläche kaum begrenzt, da die Stege die Eintrittsfläche nur mit einer Fläche aus Dicke mal Länge abdecken. Entlang der Eintrittsfläche oder parallel zur Eintrittsfläche verlaufende Solarstrahlung wird hingegen aufgrund der Höhe der Stege effektiv an den Stegen reflektiert und/oder bevorzugt absorbiert wird, weil hier eine Fläche der Stege aus Höhe mal Länge im Strahlengang positioniert ist.
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Die Stege weisen bevorzugt eine strahlungsabsorbierende Oberfläche, insbesondere Beschichtung, auf. Beispielsweise ist die Oberfläche der Stege, zumindest entlang der Höhe, schwarz.
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Bevorzugt ist zumindest eine Vielzahl von Stegen parallel zueinander an der Eintrittsfläche positioniert.
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Die Stege können beispielsweise ein Gitter bilden, insbesondere mit oder bestehend aus einer ersten Gruppe von Stegen und einer zweiten Gruppe von Stegen, wobei die Stege der ersten Gruppe senkrecht zu den Stegen der zweiten Gruppe verlaufen. Die Stege können sich demnach kreuzen, insbesondere senkrecht.
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Bevorzugt sind die Stege nicht außen auf die Eintrittsfläche aufgesetzt, sondern erstrecken sich ausgehend vom Rand des Grundkörpers in den Grundkörper hinein und schließen insbesondere bündig mit dem Rand und der Eintrittsfläche ab.
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Die Stege können sich bevorzugt nur über einen Teil einer Tiefe des Grundkörpers erstrecken. Die Höhe der Stege kann beispielsweise weniger als 1/3, 1/5, 1/7 oder 1/10 der Tiefe des Grundkörpers betragen, wobei die Tiefe des Grundkörpers der größte senkrechte Abstand eines Punktes auf der konkaven Oberfläche von der Eintrittsfläche ist, in der Regel der Abstand der konkaven Oberfläche von der Eintrittsfläche entlang der Symmetrieachse der konkaven Oberfläche.
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Die Stege sind zum Beispiel aus Blech hergestellt, jedoch kommen auch andere Materialien in Betracht.
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Um die Eintrittsfläche wahlweise mehr oder minder abdecken zu können und so die vom Solarspiegel im Brennpunkt gebündelte Strahlungsenergie einstellen zu können, sind die Stege gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in ihrem Anstellwinkel gegenüber der Eintrittsfläche einzeln oder gemeinsam verstellbar. Dabei können alle Stege verstellbar sein oder nur ein Teil der Stege. Die gemeinsame Verstellbarkeit kann eine Verstellung aller verstellbaren Stege gemeinsam oder eine Verstellbarkeit von Gruppen von verstellbaren Stegen beinhalten.
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Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die mit der ersten Ausführungsform bevorzugt kombiniert wird, ist auf der konkaven Oberfläche des Grundkörpers wenigstens ein Trennsteg angeordnet, der den Innenraum des Grundkörpers unterteilt. Der Trennsteg reicht insbesondere über die gesamte Tiefe des Grundkörpers und zerteilt damit den gesamten Innenraum. Der wenigstens eine Trennsteg kann auch zugleich einen der zuvor genannten Stege ausbilden.
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Bevorzugt können mehrere sich kreuzende Trennstege vorgesehen sein, wobei die Trennstege beispielsweise die Eintrittsfläche und/oder den Innenraum des Grundkörpers in vier zumindest im Wesentlichen gleichgroße Teile aufteilen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform teilen die Trennstege die Eintrittsfläche und/oder den Innenraum des Grundkörpers in acht oder zwölf zumindest im Wesentlichen gleichgroße Teile auf. Andere Aufteilungen sind möglich.
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Auch die Trennstege können bevorzugt mit einer strahlungsabsorbierenden Oberfläche, insbesondere einer strahlungsabsorbierenden Beschichtung, versehen sein. Die Oberfläche ist beispielsweise schwarz.
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Wie dargelegt, kann im Brennpunkt des Solarspiegels eine Wärmesenke positioniert sein, die als Wärmespeicher, Ofen, Grill und/oder als Topf ausgeführt ist, um eine Solarkochvorrichtung auszubilden. Der Begriff Topf ist allgemein zu verstehen und umfasst auch Krüge, wie beispielsweise einen Tonkrug oder Lehmkrug.
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Die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Vorrichtungen anwendbar, beispielsweise in einem Reaktor der eingangs dargestellten Art, in welchem CO2 und Wasser aus der Umgebungsluft mit der vom Solarspiegel fokussierten Solarenergie aufgespalten werden.
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Der Grundkörper kann einen Durchmesser von wenigstens 2 Metern, 3 Metern, 5 Metern, oder sogar 10 Metern oder mehr aufweisen, um entsprechend viel Solarstrahlung im Brennpunkt zu fokussieren. Besonders bei derart großen Solarspiegeln ist die Erfindung zu Vermeidung von Schäden aufgrund der großen Energie im Brennpunkt wichtig.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Solarspiegel einen einzigen Brennpunkt auf. Die Erfindung ist jedoch auch bei Solarspiegeln mit mehreren Brennpunkten anwendbar.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Solarspiegel in einer schematischen Ansicht;
- 2 eine Schnittansicht durch den Solarspiegel aus der 1;
- 3 eine erfindungsgemäße Maßnahme in einem Solarspiegel zur Reduzierung des Verbrennungsrisikos;
- 4 eine Schnittdarstellung analog jener der 2 einer abgewandelten Ausführungsform;
- 5 eine Darstellung analog der 4 einer weiteren Ausführungsform.
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In der 1 ist ein Solarspiegel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht gezeigt. Der Solarspiegel bündelt einfallende Solarstrahlung S, indem er diese reflektiert und in einem Brennpunkt P fokussiert. Der Brennpunkt P liegt insbesondere außerhalb des Solarspiegels.
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Der Solarspiegel weist einen konkav gewölbten Grundkörper 1 auf und ist insbesondere als Parabolspiegel ausgeführt. Der Grundkörper 1 umschließt einen Innenraum 1.2, der zum einen von der konkaven Oberfläche 1.1 des Grundkörpers, die verspiegelt ist, und zum anderen von der ebenen Eintrittsfläche 2 für die Solarstrahlung S begrenzt wird. Die Eintrittsfläche 2 ist insbesondere kreisflächenförmig und wird vom Rand 3 des Grundkörpers 1 umschlossen.
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Im Brennpunkt P ist eine Wärmesenke 10 angeordnet, welche die in der vom Solarspiegel reflektierten und fokussierten Solarstrahlung S enthaltene Wärme aufnimmt oder abführt. Bei der Wärmesenke 10 kann es sich zum Beispiel um einen Wärmespeicher, der insbesondere im aufgeheizten Zustand transportierbar ist, um eine Prozesseinheit, die Wärme für einen chemischem und/oder physikalischen Prozess verwertet, oder um eine Kochvorrichtung wie Ofen, Grill oder Topf handeln.
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An der Eintrittsfläche 2 des Grundkörpers 1 ist ein Gitter aus Stegen 4 vorgesehen, wobei die Stege 4 die in den Grundkörper 1 einfallende Solarstrahlung S nicht oder kaum behindern, hingegen parallel zur Eintrittsfläche 2 verlaufende Strahlen absorbieren. Hierfür können die Stege 4 mit einer Absorptionsbeschichtung oder allgemein mit einer strahlungsabsorbierenden Oberfläche versehen sein.
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Beispielhafte Ausgestaltungen der Stege 4 ergeben sich insbesondere aus den 2, 4 und 5. So weist jeder Steg 4 eine Höhe h auf, die winklig oder senkrecht auf der Eintrittsfläche 2 steht. Ferner weisen die Stege 4 eine sich entlang der Eintrittsfläche 2, das heißt in Richtung des Durchmessers des Grundkörpers 1 senkrecht zur Symmetrieachse des Grundkörpers 1, erstreckende Länge I auf.
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Unter den Stegen 4 ist im Grundkörper 1 eine Vielzahl von Trennstegen 5 vorgesehen, welche den Innenraum 1.2 des Grundkörpers 1 in einzelne Sektoren unterteilen. Ein Ausführungsbeispiel für die Trennstege 5 ist besonders aus der 3 ersichtlich, wonach die Trennstege 5 den Innenraum 1.2 in vier gleichgroße Teile beziehungsweise Sektoren unterteilen.
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Wie aus einer Zusammenschau der 2 und 3 ersichtlich ist, können die Trennstege 5 entweder unterhalb der Stege 4 positioniert sein oder gleichzeitig eine Anzahl von Stegen 4 ausbilden, wenn sie einteilig mit diesen ausgeführt sind.
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Die Trennstege 5 erstrecken sich über die gesamte Tiefe t des Grundkörpers 1 beziehungsweise von dessen Innenraum 1.2.
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Auch die Trennstege 5 absorbieren auf sie auftreffende Strahlung, sodass ein unbeabsichtigtes Austreten von fokussierter Solarstrahlung an einem anderen Punkt als dem gewünschten Brennpunkt P vermieden wird.
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Die Ausgestaltungen gemäß der 4 und 5 unterscheiden sich von jener der 2 und 3 dadurch, dass die Trennstege 5 nicht senkrecht aufeinander stehen, sondern gemäß der 4 einen Winkel von 30° und gemäß der 5 einen Winkel von 45° zwischen sich einschließen. Somit unterteilen die Trennstege 5 den Innenraum 1.2 in acht beziehungsweise zwölf gleichgroße Teilbereiche beziehungsweise Sektoren.
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Abweichend von den dargestellten Ausführungsformen könnte auch ein einziger Trennsteg 5 ausreichen, der insbesondere eben ausgeführt ist. Ferner könnten die Trennstege 5 vollständig eingespart werden oder als isolierte Maßnahme ohne die Stege 4 vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 1.1
- Oberfläche
- 1.2
- Innenraum
- 2
- Eintrittsfläche
- 3
- Rand
- 4
- Steg
- 5
- Trennsteg
- 10
- Wärmesenke
- S
- einfallende Solarstrahlung
- P
- Brennpunkt
- h
- Höhe
- I
- Länge
- t
- Tiefe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225931 A1 [0002]
