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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen, wobei die Vorrichtung mindestens umfasst:
- a) einen länglich ausgestalteten Pflanzensamen-Transportkanal mit einer zumindest abschnittsweise lichtdurchlässigen Oberseite, wobei der Transportkanal an einem Ende mindestens eine Pflanzensamenaufgabe, am anderen Ende eine Pflanzensamenausgabe und dazwischenliegend ein Transportband mit einem oder mehreren unabhängig voneinander steuerbaren Transportsegmenten aufweist;
- b) ein oder mehrere unabhängig voneinander justierbare Fresnel-Spiegel, wobei die Fresnel-Spiegel parallel zur Symmetrieachse des Transportkanals und von einer oder beiden Längsseiten des länglich ausgestalteten Transportkanals beabstandet angeordnet sind;
- c) ein optisches Spiegelelement in Form einer zumindest teilweise lichtreflektierenden Oberfläche, wobei das Spiegelelement oberhalb und entlang der Symmetrieachse des Transportkanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, Licht von dem oder den Fresnel-Spiegeln aufzunehmen und zumindest teilweise durch die lichtdurchlässige Oberseite des Transportkanals auf die im Transportkanal befindlichen Pflanzensamen zu lenken. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur thermischen Röstung von Pflanzensamen.
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Zur Verarbeitung landwirtschaftlicher Produkte im Rahmen der Nahrungsmittelproduktion werden in vielen Fällen thermische Verfahrensschritte eingesetzt. Durch die Wärmebehandlung kann vor dem eigentlichen Koch- oder Aufbereitungsvorgang, beispielsweise unter Wasserentzug, das Nahrungsmittel entweder konserviert, in seiner chemischen Zusammensetzung zur Geschmacksoptimierung verändert oder sogar beides zusammen erreicht werden. Der grundlegende Behandlungsschritt kann unabhängig von der betrachteten Pflanzenklasse oder dem Pflanzenteil in vielfältigen Ausgestaltungen auftreten, wobei die thermische Behandlung von Pflanzensamen, beispielsweise in Form von Kaffeebohnen, allgemein bekannt ist. Kaffee ist eines der am häufigsten konsumierten Getränke der Welt. Die Anbaugebiete für Kaffee liegen im globalen Süden, wobei hier besonders günstige klimatische Rahmenbedingungen für den Anbau gegeben sind. Um vom Rohprodukt, der Kaffeefrucht, zum aromatischen, trinkbaren Kaffee zu gelangen, sind mehrere Prozessschritte notwendig. Zunächst wird von der Kaffeefrucht das Fruchtfleisch entfernt, die rohen Kaffeebohnen unter Wasserentfernung vorgetrocknet und anschließend die Bohnen geröstet. Der eigentliche Röstvorgang findet unter Zuführung thermischer Energie bei ca. 200°C bis 250°C statt, wobei dies durch Konduktions-, Konvektions- oder Strahlungswärme erfolgen kann. In der industriellen Großproduktion werden eventuell vortemperierte Kaffeebohnen vorwiegend durch Anblasen mit bis zu 700°C heißer Luft in einer sich drehenden Trommel erhitzt. Die Drehbewegung der Trommel garantiert die ausreichende Durchmischung der Bohnen und somit eine gleichmäßige Erhitzung. Durch die hohen Temperaturen kann dieser Schritt mit Prozesszeiten im unteren Minutenbereich sehr schnell durchgeführt werden. Zur Erwärmung der Luft wird in der Regel Gas verwendet, welches die Klimabilanz der Kaffeeherstellung deutlich verschlechtert. In der traditionellen Röstung werden im Ver- gleich zur industriellen Röstung kleinere Chargen prozessiert. Die Kaffeebohnen werden ebenfalls in eine sich drehende Trommel gefüllt, wobei diese Trommel entweder direkt durch Gasflammen oder elektrische Heizelemente temperiert wird. Das Trommelgehäuse gibt durch Konduktion die Wärme anschließend an die Bohnen ab. Alternativ kann auch das Heißgas direkt in die Trommel geleitet werden. In diesem Verfahren liegen die Prozesstemperaturen bei 200 bis 300 °C, welches in einer etwas längeren Röstdauer von etwa 10 bis 20 Minuten resultiert. Für beide Verfahrensvarianten, die industrielle Großproduktion wie auch die traditionelle Röstung wäre es wünschenswert, wenn die Prozesse der Kaffeeröstung dekarbonisiert und insbesondere im Sinne der CO2-Bilanz nachhaltiger gestaltet werden könnten.
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Auch in der Patentliteratur finden sich Dokumente, welche sich mit der thermischen Aufbereitung von Pflanzensamen oder speziellen solarthermischen Anlagen beschäftigen.
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So offenbart beispielsweise die
WO 2007 021 650 A2 eine Kombination von Technologien aus den Bereichen Kaffeeröstung und solarthermischer Energiegewinnung, wobei diese das Rösten von Kaffeebohnen mittels verfügbarer Sonnenenergie mit maximaler Effizienz ermöglicht. Es wird eine Solarempfangsplatte bereitgestellt, die konfiguriert ist, um Sonnenstrahlung aufzunehmen und in Wärmeenergie zum Erwärmen eines Luftvolumens umzuwandeln. Es ist eine Röstkammer vorgesehen, die zum Aufnehmen und Umwälzen der erwärmten Luft von der Solarplatte konfiguriert ist. Es ist mindestens ein Ventil vorgesehen, das so konfiguriert ist, dass es sich in mindestens einer von einer geschlossenen und einer offenen Position befindet, um mindestens einen von Lufteinfluss und -ausfluss in die Solaraufnahmeplatte und/oder die Röstkammer zu steuern.
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Des Weiteren offenbart die
EP 1 754 942 A1 eine Fresnel-Solar-Kollektor-Anordnung, die im Wesentlichen aus einem Receiver und einer dem Receiver zugeordneten Spiegelanordnung besteht. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung durch die Verwendung von Materialien mit gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten für den Receivermast und das Spiegeltragwerk temperaturkompensiert und überdies die Nachführung der Primärspiegel nach der Sonne durch eine mechanische Kopplung der Spiegel mittels einer elektromotorisch angetriebenen Schubstange vereinfacht ist.
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Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten. Dies bezieht sich insbesondere auf Aufbauten, welche eine besonders effiziente und gleichmäßige solarthermische Behandlung von Pflanzensamen ermöglichen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine effiziente und flexible solarthermische Apparatur und ein diese nutzendes Verfahren bereitzustellen, wobei die Apparatur und das Verfahren sich durch einen hohen solarthermischen Wirkungsgrad und leichte Steuerbarkeit auszeichnen und wobei über die Vorrichtung eine gleichmäßige und schonende thermische Behandlung unterschiedlicher Pflanzensamen, wie beispielsweise Kaffee- oder Kakaobohnen, ermöglicht wird.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche, gerichtet auf die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie auf das erfindungsgemäße Verfahren. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren angegeben, wobei weitere in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, solange sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen, wobei die Vorrichtung mindestens umfasst:
- a) einen länglich ausgestalteten Pflanzensamen-Transportkanal mit einer zumindest abschnittsweise lichtdurchlässigen Oberseite, wobei der Transportkanal an einem Ende mindestens eine Pflanzensamenaufgabe, am anderen Ende eine Pflanzensamenausgabe und dazwischenliegend ein Transportband mit einem oder mehreren unabhängig voneinander steuerbaren Transportsegmenten aufweist;
- b) ein oder mehrere unabhängig voneinander justierbare Fresnel-Spiegel, wobei die Fresnel-Spiegel parallel zur Symmetrieachse des Transportkanals und von einer oder beiden Längsseiten des länglich ausgestalteten Transportkanals beabstandet angeordnet sind;
- c) ein optisches Spiegelelement in Form einer zumindest teilweise lichtreflektierenden Oberfläche, wobei das Spiegelelement oberhalb und entlang der Symmetrieachse des Transportkanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, Licht von dem oder den Fresnel-Spiegeln aufzunehmen und zumindest teilweise durch die lichtdurchlässige Oberseite des Transportkanals auf die im Transportkanal befindlichen Pflanzensamen zu lenken.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht unter anderem darin, dass das System ohne die Verbrennung fossiler Gasressourcen arbeitet und somit dieser Schritt des Herstellungsverfahrens keine zusätzlichen CO2-Emissionen verursacht. Durch die solarthermische Direktbestrahlung ist der Prozess im Vergleich zu den bekannten Verfahren deutlich energieeffizienter. Durch den einfachen Aufbau kann die Vorrichtung auch dezentral in kleinen Anlagen ohne große Infrastrukturvoraussetzungen betrieben werden. Letzteres ermöglicht eine Ausdehnung der Wertschöpfungskette auch auf entlegene, ländliche Gegenden. Gegenüber den bekannten solaren Röstern weist diese Vorrichtung den Vorteil auf, dass sie besonders einfach auch kontinuierlich betrieben werden kann. Unter anderem aus diesem Grund ist die Vorrichtung einfach skalierbar und für den Einsatz im industriellen Maßstab geeignet. Im direkten Vergleich zu Solartürmen sind die hier vorgestellten Fresnel-Systeme in der Anschaffung deutlich günstiger. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung kann darin bestehen, dass Fresnel-Spiegel intrinsisch eine linienförmige Abstrahlung des vom Spiegel reflektierten Sonnenlichts bewirken. Die linienförmige Abstrahlung kann in Kombination mit einem flächigen Spiegelelement in Form eines Sekundär-Konzentrators und einem länglich ausgestalteten Röst- oder Transportkanal zu einer besonders gleichmäßigen Verteilung der eingestrahlten Energie führen. Der Röstprozess kann dadurch deutlich gleichmäßiger, ohne thermische Spitzen an den Pflanzensamen, durchgeführt werden. Zudem kann die spezielle Spiegelauswahl auch dazu beitragen, dass die Ein- und Nachjustage einzelner Spiegel vereinfacht wird, da der Energieeintrag eines einzelnen Spiegels in das Gesamtsystem immer über eine größere Fläche gemittelt wird. Dies ist im Vergleich zu Röstvorgängen mittels Punktfokussierungssystemen in Form von Türmen für das Röstgut deutlich reproduzierbarer und schonender.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Vorrichtung zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen. Es können also besonders gut landwirtschaftliche Produkte thermisch verarbeitet werden, wobei die landwirtschaftlichen Produkte bevorzugt eine eher runde oder ovale Geometrie aufweisen und schütt- oder rieselfähig sind. Insbesondere trifft das auf Pflanzensamen zu, welche beispielsweise im Vergleich zu Blättern eine eher hohe Dichte aufweisen. Besonders geeignete Pflanzensamen sind Bohnen, beispielsweise in Form von Kaffee- oder Kakaobohnen. Es ist aber auch möglich, Pflanzensamen wie Bucheckern zu verarbeiten. Unter anderem wäre auch die Verarbeitung von Maiskörnern zu Popcorn möglich. Die solarthermische Behandlung besteht darin, dass die Temperatur der Pflanzensamen durch Erhitzen erhöht wird. Die Prozesstemperatur kann dabei über die Anzahl oder die Größe der Fresnel-Spiegelfläche und die Verweilzeit geregelt werden. Bevorzugt kann die thermische Behandlung der Pflanzensamen eine mittlere Erhitzung der jeweiligen Pflanzensamen auf eine Temperatur von größer oder gleich 50°C, des Weiteren bevorzugt auf größer oder gleich 100°C und weiterhin bevorzugt auf größer oder gleich 200 °C beinhalten. Die für diesen Erhitzungs- oder Röstschritt vorgesehene Energie wird dabei solarthermisch aufgebracht. Dies bedeutet, dass mindestens 70 %, weiterhin bevorzugt 80 %, des Weiteren bevorzugt mehr als 95 % der Energie zum Erhitzen der Pflanzensamen über die Nutzung von Sonnenenergie in das System eingebracht wird. Insofern kann die Vorrichtung prinzipiell auch ohne weitere Energiequellen, wie beispielsweise Erdgas oder elektrische Energie, zur thermischen Behandlung der Pflanzensamen betrieben werden.
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Die Vorrichtung umfasst a) einen länglich ausgestalteten Pflanzensamen-Transportkanal mit einer zumindest abschnittsweise lichtdurchlässigen Oberseite, wobei der Transportkanal an einem Ende mindestens eine Pflanzensamenaufgabe, am anderen Ende eine Pflanzensamenausgabe und dazwischenliegend ein Transportband mit einem oder mehreren unabhängig voneinander steuerbaren Transportsegmenten aufweist. Die Pflanzensamen werden also auf eine Prozessstrecke in Form eines Transportkanals eingebracht, in denen der eigentliche thermische Erhitzungsschritt stattfindet. Im Rahmen der thermischen Behandlung der Pflanzensamen werden die Samen von einem Ende des Kanals zum anderen Ende transportiert. Demzufolge werden die Pflanzensamen an einem Ende des Kanals in diesen aufgegeben, die Pflanzensamenaufgabe, wandern durch den Transportkanal und verlassen am anderen Ende der Transportstrecke diesen wieder. Der Transportkanal ist länglich ausgestaltet und weist somit, zumindest in einer Dimension, eine deutlich größere Ausdehnung auf. Die Grundsymmetrie des Kanals kann beispielsweise zylindrisch, quadratisch oder rechteckig ausgeführt sein. Zur Bewegung der einzelnen Pflanzensamen durch den Transportkanal hindurch kann der Transportkanal zweckmäßigerweise Mittel aufweisen, um die Pflanzensamen mit einer kontrollierten Geschwindigkeit von der Pflanzensamenaufgabe hin zur Pflanzensamenausgabe hin zu transportieren. Die Mittel zur gezielten Bewegung der Pflanzensamen können vorzugsweise am Boden des Transportkanals angeordnet sein. Dabei kann es sich um ein Fördersegment handeln, welches mit einer konstanten Geschwindigkeit betrieben wird. Es können aber auch mehrere unterschiedliche Segmente als Transportsegmente im Kanal vorhanden sein, welche mit gleichen oder unterschiedlichen Geschwindigkeiten zum Weitertransport der Pflanzensamen betrieben werden. An der Oberseite des Transportkanals befindet sich eine lichtdurchlässige Oberfläche, welche die eingestrahlte solarthermische Energie möglichst ohne große Absorptionsverluste auf die sich im Transportkanal bewegenden Pflanzensamen durchlässt. Die lichtdurchlässige Oberfläche kann beispielsweise aus Glas, Keramik oder aus einem lichtdurchlässigen, optisch transparenten Kunststoff ausgeführt sein. Es ist aber auch möglich, dass die lichtdurchlässige Oberfläche des Transportkanals dadurch ausgebildet wird, dass die Oberseite des Transportkanals ohne Deckel ausgeführt oder der Deckel entfernbar ausgestaltet ist. Bevorzugt wird jedoch die Lösung mit einem oberen Abschluss des Transportkanals eingesetzt, da dies die thermischen Verluste aus dem Transportkanal hinaus verringern kann.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung b) ein oder mehrere unabhängig voneinander justierbare Fresnel-Spiegel, wobei die Fresnel-Spiegel parallel zur Symmetrieachse des Transportkanals und von einer oder beiden Längsseiten des länglich ausgestalteten Transportkanals beabstandet angeordnet sind. Das Fokussieren des Sonnenlichts in den Transportkanal der Vorrichtung wird erfindungsgemäß mittels einer Anordnung aus Fresnel-Spiegeln durchgeführt. Der Begriff Fresnel-Spiegel beschreibt dabei eine Anordnung aus länglichen Spiegelflächen, die an ihren kurzen Seiten aneinanderstoßen. Im Falle einer starren Spiegelanordnung, die als eine Einheit gesteuert wird, kann die Neigung der einzelnen Spiegelflächen bevorzugt kleiner oder gleich 30, des Weiteren bevorzugt kleiner oder gleich 15 und weiterhin bevorzugt kleiner oder gleich 10 Winkelminuten betragen. Die Neigung der einzelnen Spiegelflächen zueinander kann beispielsweise auch einzeln steuerbar ausgestaltet sein, sodass die Konzentration des Sonnenlichts entlang des Transportkanals und damit die eingebrachte Energie bzw. erzeugte Temperatur variiert werden kann. Die Vorrichtung kann dabei bevorzugt mehr als drei, des Weiteren bevorzugt mehr als fünf und weiterhin bevorzugt mehr als zehn einzelne Spiegel aufweisen, wobei jeder der Spiegel ein Fresnel-Spiegel ist. Die Fresnel-Spiegel können jeweils einzeln zum Sonnenlicht hin ausgerichtet werden, so dass als Funktion der Anordnung der Spiegel zum Transportkanal und als Funktion des Sonnenstandes jeweils eine optimale Fokussierung des vom Fresnel-Spiegel gespiegelten Sonnenlichts erreicht werden wird. Bevorzugt können die einzelnen Spiegel entlang des Transportkanals angeordnet werden. Diese Anordnung führt aufgrund der linienförmigen Abstrahlung der Fresnel-Spiegel zu einer besonders gleichmäßigen und effizienten Fokussierung des Sonnenlichts in den Transportkanal.
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Zusätzlich weist die Vorrichtung noch als Komponente c), ein optisches Spiegelelement in Form einer zumindest teilweise lichtreflektierenden Oberfläche auf, wobei das Spiegelelement oberhalb und entlang der Symmetrieachse des Transportkanals angeordnet und dazu eingerichtet ist, Licht von dem oder den Fresnel-Spiegeln aufzunehmen und zumindest teilweise durch die lichtdurchlässige Oberseite des Transportkanals auf die im Transportkanal befindlichen Pflanzensamen zu lenken, auf. Das von den Fresnel-Spiegeln linienförmig fokussierte Licht wird auf ein weiteres Spiegelelement reflektiert, wobei die einzelnen Fresnel-Spiegel so ausgerichtet sind, dass das Sonnenlicht möglichst gleichmäßig über die entsprechende Länge des optischen Spiegelelementes verteilt wird. Es ist aber auch möglich, dass über den Einsatz der Fresnel-Spiegel unterschiedliche Strahlungsintensitäten entlang der Röststrecke gewünscht ausgebildet werden. Somit kann über den Einsatz der Fresnel-Spiegel selbst schon ein gewünschtes Temperaturprofil, ohne weitere, aufwendige Steuerungsmaßnahmen, induziert werden. Das Spiegelelement kann bevorzugt ein rechteckig ausgestaltetes Spiegelelement sein. Das Element ist in den Fällen ein rechteckiges Spiegelelement, in denen die Ausdehnung entlang entweder einer Achse des Spiegelelementes oder der Aperturfläche des Spiegelelementes deutlich größer ist als die Abmessungen entlang der anderen Achsen des Spiegelelementes oder dessen Aperturfläche. Die Länge des Spiegelelementes kann sich dabei an der Länge des Transportkanals orientieren. Die Breite des Spiegelelementes kann beispielsweise entsprechend der Breite der lichtdurchlässigen Oberfläche des Transportkanals gewählt werden. Nicht erfindungsgemäß wäre beispielsweise die Verwendung eines runden oder eines quadratischen Spiegelelementes. Die Ecken des rechteckigen Spiegelelementes können abgerundet sein. Das Spiegelelement kann als Sekundärkonzentrator bezeichnet werden, da an dieser Stelle das Licht sämtlicher Fresnel-Spiegel gebündelt und in den Transportkanal gespiegelt wird. Das Spiegelelement muss dabei nicht eben ausgestaltet sein. Es ist auch möglich, über das Spiegelelement eine zusätzliche, weitere Fokussierung des reflektierten Sonnenlichts auf bestimmte Bereiche des Transportkanals zu erreichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung kann das Transportband ein Rüttelband sein. Ein Rüttelband hat sich zur gleichmäßigen und statistischen Bewegung der Pflanzensamen im Transportkanal als besonders geeignet herausgestellt. Das Rüttelband ist dabei in der Lage, nicht nur eine translatorische Bewegung der einzelnen Pflanzensamen im Transportkanal sicherzustellen. Durch das Rüttelband wird auch ermöglicht, dass die einzelnen Pflanzensamen um ihre eigene Achse rotieren können, so dass eine gleichmäßige thermische Behandlung der gesamten Pflanzensamenoberfläche ermöglicht wird. Das Rüttelband kann dabei eben ausgestaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass das Rüttelband auf seiner Oberfläche noch weitere Aufbauten aufweist, welche eine aktive oder passive Umschichtung der Pflanzensamen beim Transport durch den Kanal verbessern.
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Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung können die optischen Reflexionseigenschaften des optischen Spiegelelements steuerbar ausgestaltet sein. Zur flexiblen Steuerung der eingestrahlten Energiemenge in den Transportkanal hat es sich als besonders günstig herausgestellt, dass das Spiegelelement in seinen optischen Eigenschaften steuerbar ausgeführt ist. Diese Steuerung führt im Wesentlichen dazu, dass nicht das gesamte fokussierte Licht in den Transportkanal eingestrahlt werden muss. Durch die Steuerbarkeit des Spiegelelementes können variable Anteile des auftreffenden Lichts vom Transportkanal defokussiert, beispielsweise durch Erhöhung der Transmission durch das Spiegelelement hindurch, werden. Dadurch können Temperaturspitzen im Transportkanal verhindert werden, welche bei starken Änderungen der Sonnenintensität auftreten können. In diesem Fall kann die optimale Ausrichtung der Fresnel-Spiegel beibehalten und die Lichtmenge nur über die Steuerung eines einzelnen Elementes, des Spiegelelements, geregelt werden. Die Steuerbarkeit bezüglich der durch das Spiegelelement reflektierten Lichtmenge kann dabei über die relative Ausrichtung des Spiegelelements bezüglich des Transportkanals, die zur Reflexion befähigte Fläche des Spiegelele- ments oder allgemein durch Veränderungen in den Reflexions-/Transmissionseigenschaften des Spiegelelements erfolgen.
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Innerhalb eines weiter bevorzugten Aspektes der Vorrichtung kann oberhalb des optischen Spiegelelements eine elektrische Vorrichtung zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrischen Strom angeordnet sein. Zur besonders effizienten Steuerung der thermischen Behandlung hat sich als besonders günstig herausgestellt, dass oberhalb des Sekundärkonzentrators eine Vorrichtung vorgesehen wird, welche in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung, beispielsweise in Form von Sonnenlicht, in elektrischen Strom umzuwandeln. Das optische Spiegelelement kann dazu beispielsweise in seinen Transmissions- oder Reflektionseigenschaf- ten so gesteuert werden, dass nur ein variabler Anteil des über die Fresnel-Spiegel eingespeisten Lichts in den Transportkanal hineinreflektiert wird. Durch die steuerbare Teildurchlässigkeit des optischen Spiegelelements wird dann der nicht reflektierte Lichtanteil auf das PhotovoltaikModul gelenkt. Diese Ausgestaltung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn zu viel thermische Energie in Form von Sonnenlicht anfällt. Durch das Einspeisen des überschüssigen Sonnenlichts auf das Photovoltaikmodul kann beispielsweise das Transportband elektrisch betrieben werden. Es ist aber auch vorteilhafterweise möglich, dass das in elektrische Energie umgewandelte Sonnenlicht zur spezifischen Kühlung einzelner Bereiche innerhalb des Transportbandes, beispielsweise durch elektrisch angetriebene Ventilatoren, genutzt wird. Auf diese Art und Weise kann die Energiebilanz des gesamten Verfahrens noch einmal deutlich verbessert werden. Zudem kann dadurch auf eine umständliche Justage der einzelnen Fresnel-Spiegel verzichtet werden. Diese können insofern immer in einer optimalen Ausrichtung zur Sonne gehalten und nur als Funktion des Sonnenstandes nachgeführt werden. Varianzen in der eingestrahlten Energiemenge, beispielsweise durch das Auftreten von Wolkenbildung, können dann auch über die optischen Eigenschaften des Spiegelelementes berücksichtigt werden.
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Nach einer bevorzugten Charakteristik der Vorrichtung kann der Transportkanal des Weiteren eine Luftkonvektionsvorrichtung umfassen, wobei die Luftkonvektionsvorrichtung dazu eingerichtet ist, innerhalb des Transportkanals einen Luftstrom entlang der Symmetrieachse des Transportkanals von der Pflanzensamenausgabe hin zur Pflanzensamenaufgabe zu erzeugen. Zur besonders reproduzierbaren Röstung der Pflanzensamen hat es sich zudem als hilfreich herausgestellt, dass innerhalb des Transportkanals beispielsweise Ventilatoren angebracht sind, welche punktuell oder abschnittsweise eine kühlende Luftbewegung um die Pflanzensamen herum erzeugen können. Es ist dabei möglich, dass die Luftbewegung entlang der Symmetrieachse des Transportkanals ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung kann beispielsweise dazu genutzt werden, um schon heiße Luft in kühlere Bereiche des Transportkanals zu bewegen. So kann die Strömungsrichtung der Luftbewegung beispielsweise von der Pflanzensamenausgabe hin zur Pflanzensamenaufgabe gerichtet sein.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung kann der Transportkanal eine oder mehrere Luftkonvektionsvorrichtungen umfassen, wobei die Luftkonvektionsvorrichtungen dazu eingerichtet sind, innerhalb des Transportkanals und gewinkelt zur Symmetrieachse des Transportkanals einen oder mehrere Luftströmungen zu erzeugen. Neben der Strömungsrichtung der Luft entlang der Symmetrieachse des Transportkanals kann es zudem hilfreich sein, dass über die Anordnung von Ventilatoren weitere Luftkonvektionsströmungen innerhalb des Transportkanals geschaffen werden, welche zur Symmetrieachse des Transportkanals gewinkelt ausgeführt sind. So können die Luftströmungen beispielsweise in einem 90°-Winkel zur Symmetrie- achse des Transportkanals verlaufen. Dadurch kann im gesamten Transportkanal oder speziell in bestimmten Transportkanalbereichen, eine Umwälzströmung erzeugt werden, welche die Gleichmäßigkeit der thermischen Behandlung der gesamten Pflanzensamenoberfläche verbessein kann. In dieser Ausgestaltung ist es beispielsweise auch möglich, dass im Transportkanal selbst Luftleitbleche eingebaut sind, welche in Bezug auf die Luftströmung den Transportkanal in mehrere, unabhängige Strömungssegmente unterteilen.
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Innerhalb eines bevorzugten Aspektes der Vorrichtung kann die longitudinale Ausdehnung des Transportkanals größer oder gleich 1,5 m und kleiner oder gleich 20 m beträgt betragen. Innerhalb dieser Abmessungen des Transportkanals können eine Vielzahl unterschiedlicher Pflanzensamen bei unterschiedlichsten Temperaturen gleichmäßig behandelt werden. Es wurde gefunden, dass mit den eingestrahlten Energiemengen und insbesondere über den Weitertransport der Pflanzensamen mittels eines Rüttelbandes, eine besonders gleichmäßige und schonende thermische Behandlung der gesamten Pflanzensamenoberfläche erfolgen kann.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung kann das Flächenverhältnis von Fresnel-Spiegelfläche zur Fläche des optischen Spiegelelements, ausgedrückt als Fläche Fresnel-Spiegel dividiert durch Fläche optisches Spiegelelement, größer oder gleich 5 und kleiner oder gleich 50 betragen. Für einen besonders effizienten und flexibel steuerbaren Röstvorgang von Pflanzensamen hat sich als besonders geeignet herausgestellt, dass die Spiegelflächen der Fresnel-Spiegel und des Sekundärkonzentrators im oben angegebenen Bereich liegen. Innerhalb dieses Verhältnisses können über lange Zeiträume gleichmäßige und hohe Temperaturen bereitgestellt werden, welches insbesondere zur Röstung von Kaffeebohnen vorteilhaft genutzt werden kann. Durch das angegebene Verhältnis lassen sich insbesondere auch Temperaturspitzen oder nur unvollständige Röstvorgänge vermeiden, so dass auch bei wechselnden Witterungsbedingungen eine gleichmäßige und ausreichende Röstwirkung erhalten wird.
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Des Weiteren erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Röstung von Pflanzensamen, wobei Pflanzensamen in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geröstet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also insbesondere zur thermischen Behandlung von Pflanzensamen eingesetzt werden, welche relativ hohe Temperaturen aber auch gleichmäßige Röstprozesse verlangen. Die Verfahren zeichnen sich durch den Erhalt besonders gleichmäßig gerösteter Pflanzensamen aus, wobei insbesondere darauf hinzuweisen ist, dass der zur thermischen Behandlung nötige Energiebetrag besonders umweltschonend mit einem geringen CO2-Abdruck erhalten wird. Die zur Ausführung des Verfahrens benötigten Aufbauten sind einfach herzustellen und die Anlage kann auch dezentral, d.h. ohne große Anforderungen an die umgebende Infrastruktur, betrieben werden. So kann das Verfahren beispielsweise bei den Herstellern der Pflanzensamen selbst, in ländlichen Gebieten durchgeführt werden. Letzteres kann insbesondere dazu beitragen, dass sich der Wertschöpfungsanteil des Erzeugers in der Nahrungsmittelproduktionskette erhöht.
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Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens können die Pflanzensamen Kaffeebohnen sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich insbesondere für die Aufbereitung und thermische Behandlung von Kaffeebohnen eignen. Die Kaffeebohnen werden sehr gleichmäßig geröstet und die Gefahr thermischer Spitzen an den Pflanzensamen ist insbesondere durch die Verwendung von Fresnel-Spiegeln deutlich minimiert. Aufgrund der relativ hohen Rösttemperaturen kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für die Kaffeeproduktion insgesamt zu einer deutlichen Verringerung des Produkt-CO2-Fußabdruckes beitragen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Figuren veranschaulicht und in den nachfolgenden Beispielen erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen die
- 1 schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen;
- 2 schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen mit Strahlengang bei Sonneneinstrahlung;
- 3 schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen mit segmentierten Fresnel-Spiegeln;
- 4 schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen mit zusätzlichem Photovoltaikmodul.
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Die 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung 1 zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen. Die Vorrichtung 1 umfasst als Hauptkomponenten den Pflanzensamen-Transportkanal 2, die unabhängig voneinander justierbaren Fresnel-Spiegel 7 und das rechteckig ausgestaltete, optische Spiegelelement 8. Das Sonnenlicht fällt auf die einzelnen Fresnel-Spiegel 7, welche als Funktion der gewünschten Energiemenge und des aktuellen Sonnenstandes horizontal, vertikal oder gekippt ausgerichtet werden können. Von jedem einzelnen Fresnel-Spiegelelement 7 wird eine linienförmige Abstrahlung des einfallenden Strahls auf das flächig ausgestaltete, optische Spiegelelement 8 bewirkt, welches als Se- kundärkonzentrator des nun fokussierten Sonnenlichts fungiert. Durch die linienförmige Abstrahlung wird die Leistung jedes einzelnen Fresnel-Spiegels 7 über das gesamte, flächig ausgestaltete Spiegelelement 8 gemittelt. Das flächig ausgestaltete Spiegelelement 8 ist insbesondere nicht punktförmig ausgestaltet, sondern erstreckt sich rechteckig zumindest über den Bereich des Pflanzensamen-Transportkanals 2. Vom optischen Spiegelelement 8 wird das Licht flächig in den Pflanzensamen-Transportkanal 2 reflektiert. Der Eintritt des Lichts erfolgt über die lichtdurchlässige Oberseite 6 des Pflanzensamen-Transportkanals 2. Neben der zumindest teilweise lichtdurchlässigen Oberseite 6 weist der Pflanzensamen-Transportkanal 2 eine Pflan- zensamenaufgabe 3 auf. Die Pflanzensamenaufgabe 3 kann beispielsweise in Form eines Loches ausgestaltet sein, durch welches die Pflanzensamen in den Pflanzensamen-Transportkanal 2 geleitet oder geschüttet werden können. Die Pflanzensamenaufgabe 3 kann dabei vorzugsweise im oberen Bereich des Kanals angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Pflanzensamenaufgabe 3 im mittleren oder unteren Bereich des Pflanzensamen-Transportkanals 2 angeordnet ist. Die Pflanzensamen fallen auf ein Transportband 5, welches einstückig oder aus mehreren unabhängig voneinander steuerbaren Transportsegmenten aufgebaut sein kann. In dieser Darstellung ist das Transportband 5 aus drei einzelnen Segmenten aufgebaut. Die einzelnen
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Segmente können beispielsweise in Form von Rüttelbändern oder -Rosten ausgeführt sein, welche neben der Fortbewegung der einzelnen Pflanzensamen im Kanal selbst auch noch eine statistische Bewegung der einzelnen Pflanzensamen um ihre eigene Achse induzieren. Das Transportband 5 kann flächig oder linienförmig mit geschlossener oder teilperforierter Oberfläche ausgebildet sein. Bevorzugt kann das Transportband 5 auf seiner Oberfläche Strukturen aufweisen, welche eine Umschichtung der einzelnen Pflanzensamen im Laufe des Transports durch den Pflanzensamen-Transportkanal 2 erlauben. Die einzelnen Samen oder die die Samen umgebende Luft wird durch das flächig ausgestaltete, optische Spiegelelement 8 erhitzt und die Samen werden durch die Energie bei höheren Temperaturen geröstet. Durch die linienförmige Einstrahlung des Sonnenlichts durch die Fresnel-Spiegel 7 ergibt sich eine prinzipiell gleichmäßige Energieverteilung im Kanal 2. Sollten im Kanal 2 bestimmte Temperaturprofile gewünscht sein, so kann über die konkrete Ausgestaltung des Spiegelelements 8, der Oberfläche des Pflanzensamen-Transportkanals 2 oder durch weitere Aufbauten, beispielsweise Gebläse (nicht dargestellt), innerhalb des Pflanzensamen-Transportkanals 2 ein inhomogenes Temperaturprofil eingestellt werden. Die Röstdauer kann als Funktion der jeweilig gewünschten Röststärke über das Flächenverhältnis der Fresnel-Spiegel 7 oder über die Bandgeschwindigkeiten des Transportbandes 5 eingestellt werden. Nach Durchlaufen der Röststrecke können die Pflanzensamen über die Pflanzensamenausgabe 4 aus dem Pflanzensamen-Transportkanal 2 ausgeschleust werden.
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Die 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung 1 zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen mit Strahlengang bei Sonneneinstrahlung. Die unabhängig voneinander justierbaren Fresnel-Spiegel 7 erzeugen durch ihren Aufbau aus zwei leicht gegeneinander geneigten Spiegelflächen ein Interferenzmuster, welches in einer flächigen Abstrahlung des eingestrahlten Sonnenlichtes resultiert. Die Ausrichtung zwischen Fresnel-Spiegel 7 und optischem Spiegelelement 8 kann dabei so gewählt werden, dass sich eine im Wesentlichen flächige Abstrahlung von einem Punkt auf der Spiegelfläche auf das optische Spiegelelement 8 ergibt. Durch diese Ausgestaltung wird eine gleichmäßige Energieverteilung der einzelnen Elemente auf das flächig ausgestaltete optische Spiegelelement 8 erreicht. Eventuelle Energieschwankungen einzelner Fresnel-Spiegel 7 werden dabei auf eine größere Fläche des optischen Spiegelelements 8 verteilt. Es ergibt sich im Vergleich zu „üblichen“ Spiegeln somit eine homogenere Einstrahlung der gesamten Fresnel-Spiegelfläche 7 auf das optische Spiegelelement 8. Vom optischen Spiegelelement 8 wird die Energie dann durch die Oberseite in den Pflanzensamen-Transportkanal 2 geleitet. Hier kann indirekt die Luft im Kanal oder aber die Pflanzensamen direkt aufgeheizt werden.
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Die 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen mit Strahlengang bei Sonneneinstrahlung. Neben einer flächigen und eher länglichen Ausgestaltung der unabhängig voneinander justierbaren Fresnel-Spiegel 7 (1 und 2), können die Fresnel-Spiegel 7 auch deutlich kleiner ausgestaltet sein. Bevorzugt können pro Vorrichtung mindestens fünf, des Weiteren bevorzugt mehr als zehn und weiterhin bevorzugt mehr als zwanzig unabhängig voneinander justierbare Fresnel-Spiegel 7 an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 angeordnet sein. Diese Spiegelanzahl kann dazu genutzt werden, um innerhalb des Pflanzensamen-Transportkanals 2 ein genau abgestimmtes Temperaturprofil über die einzelne Ausrichtung der Fresnel-Spiegel 7 zu erzeugen.
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Die 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung 1 zur solarthermischen Behandlung von Pflanzensamen mit zusätzlichem Photovoltaikmodul 9. Erfindungsgemäß kann das flächig ausgestaltete, optische Spiegelelement 8 auch so ausgestaltet sein, dass die Reflektions- bzw. Transmissionseigenschaften des optischen Spiegelelementes 8 als solches oder zumindest in Teilbereichen geändert werden können. So kann das optische Spiegelelement 8 beispielsweise teilweise lichtdurchlässig geschaltet werden. Die nicht reflektierten, transmittierten Lichtstrahlen können durch ein Photovoltaikmodul 9 zur Erzeugung von Strom genutzt werden. Diese Ausgestaltung kann beispielsweise in Zeiten hoher Sonneneinstrahlung genutzt werden. Um eine Überhitzung der Pflanzensamen zu vermeiden können entweder die Fresnel-Spiegel 7 aufwendig defokussiert oder aber die Reflektionseigenschaften des optischen Spiegelelements 8 geändert wer- den. Der erzeugte Strom kann dann beispielsweise zur Kühlung der Pflanzensamen über Gebläse oder zum Antrieb des Transportbandes 5 verwendet werden.
