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Die Erfindung betrifft ein Hüllrohr für Sonnenkollektoren,
insbesondere für
Parabolrinnenkollektoren. Ferner betrifft die Erfindung ein Receiverrohr
sowie einen Parabolrinnenkollektor.
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Parabolrinnenkollektoren bestehen
aus einem einachsig parabolisch geformten Spiegel und einem Receiverrohr,
das im Brennpunkt des Parabolspiegels angeordnet ist. Die Spiegel
haben üblicherweise
eine Breite von 5 bis 6 m. Das Receiverrohr besteht aus einem vorzugsweise
strahlungsselektiv beschichteten inneren Teilrohr, auch Absorberrohr
genannt, und einem äußeren Hüllrohr aus
Glas zur Isolation. Spiegel und Receiverrohr werden dem Sonnengang
nachgeführt,
so dass die Sonneneinstrahlung immer in der normalen Richtung der
Aperturebene erfolgt und Idealerweise die gesamte auf den Spiegel
einfallende Strahlung auf das Receiverrohr gelenkt wird.
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Durch verschiedene Faktoren kommt
es bei Parabolrinnenkollektoren zu Fokussierungsfehlern und damit
zu geometrisch bedingten optischen Verlusten. So können beispielsweise
die Spiegelelemente an sich gewisse Gesamtformtoleranzen oder auch Welligkeiten
aufweisen, die zu Fokussierungsfehlern führen. Die Positionierung der
Spiegelelemente bei der Montage ist nur innerhalb gewisser Toleranzen möglich. Auch
bei der Stahlkonstruktion, auf der die Parabolrinnenkollektoren
aufgebaut sind, müssen Fertigungs-
und Montagetoleranzen sowie Eigenverformungen berücksichtigt
werden. Nicht zuletzt führt auch
gegebenenfalls auftretender Wind zu einer Verformung der Gesamtkonstruktion
und somit zu Fokussierungsfehlern.
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Bisher wird versucht, die optischen
Verluste durch die Defokussierung mit Hilfe von am Receiverrohr
angebrachten Sekundärkonzentratoren
zu minimieren. So wurde bereits die Verwendung eines ebenen Sekundärreflektors
experimentell untersucht. Eine weitere Anordnung einer Parabolrinne
mit einem Sekundärkonzentrator
in Form eines metallischen Reflektors wird in der WO 97/00408 beschrieben.
In H. Price et al., Journal of Solar Energy Engineering, Band 124,
S. 109–125
(2002) wird ein zickzackförmiges
Blech als Sekundärkonzentrator
verwendet.
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Wenn für den Sekundärkonzentrator
ein hochreflektierendes Material, z. B. ein poliertes Blech verwendet
wird, ist es sinnvoll, diesen innerhalb des Hüllrohres im Vakuum anzubringen,
um ihn vor Verschmutzung und Alterung zu schützen. Dabei kann der Sekundärkonzentrator
entweder am Hüllrohr oder
am Absorberrohr befestigt werden. Durch die Anbringung des Sekundärkonzentrators
oberhalb des Absorberrohres auf der dem Spiegel abgewandten Seite
entsteht eine Verschattung des Absorberrohres. Wenn der Sekundärkonzentrator
breiter als das Absorberrohr ist, wird auch ein Teil des Spiegels verschattet.
Wird der Sekundärkonzentrator
am Hüllrohr
befestigt, so geht der Teil der Strahlung, der auf die dem Spiegel
abgewandten Seite des Sekundärkonzentrator
trifft, verloren, da Hüllrohr
und Absorberrohr thermisch entkoppelt sind. Eine Möglichkeit, diesen
Teil der Strahlung zu nutzen, besteht darin, den Sekundärkonzentrator
am Absorberrohr zu befestigen und auf der vom Spiegel abgewandten
Seite absorbierend zu machen. Dadurch kann mehr Strahlung genutzt
werden. Gleichzeitig steigen jedoch auch die thermischen Verluste
durch Vergrößerung der
Absorberfläche.
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Die Erhöhung des Interceptfaktors (Anteil der
Strahlen, die das Absorberrohr treffen), die durch die Verwendung
eines Sekundärkonzentrators
erreicht wird, muss mit Strahlungsverlusten aufgrund der genannten
Nachteile erkauft werden. Daher lassen sich in der Summe keine signifikanten
Verbesserungen des Interceptfaktors erreichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Hüllrohr
für Sonnenkollektoren,
insbesondere für Parabolrinnenkollektoren,
sowie ein Receiverrohr und einen Parabolrinnenkollektor zur Verfügung zu stellen,
das einen möglichst
hohen Interceptfaktor aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch
ein Hüllrohr gemäß Anspruch
1, ein Receiverrohr gemäß Anspruch
9 und einem Parabolrinnenkollektor gemäß Anspruch 10.
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Durch die fokussierende Struktur
auf dem Hüllrohr
wird bewirkt, dass Strahlen, die aus bestimmten Winkelbereichen
durch ein glattes Hüllrohr ein-
und wieder austreten würden,
ohne auf das Absorberrohr zu treffen, nun direkt auf die Absorberrohrfläche umgelenkt
werden. Dies betrifft insbesondere Strahlen, die von den äußeren Bereichen
des Parabolspiegels kommend auf das Hüllrohr treffen, sowie Strahlen,
die direkt von der Sonne kommend auf das Hüllrohr treffen. Die optische
Strukturierung des Hüllrohres
bewirkt für
die genannten Winkelbereiche eine optische Aufweitung des Absorbers
gleich einem Lupeneffekt. Abhängig
von der Größe und räumlichen Verteilung
der Spiegelfehler kann eine Erhöhung
des optischen Wirkungsgrades um ca. 1 bis 3 erreicht werden.
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Bei größeren Spiegel- oder Montagefehlern kann
die Erhöhung
des optischen Wirkungsgrades noch höher ausfallen. Bei Verwendung
eines erfindungsgemäßen Hüllrohres
können
also höhere
Toleranzen bei Spiegelfertigung und Montage in Kauf genommen werden,
was zu einer deutlichen Kostenreduzierung führt.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Hüllrohres
besteht darin, dass die thermische Last etwas gleichmäßiger über das
Absorberrohr verteilt wird. Parabolrinnenkollektoren haben nämlich die
ungünstige
Eigenschaft, dass die dem Spiegel zugewandte Seite des Absorberrohres
viel stärker
bestrahlt wird als die dem Spiegel abgewandte Seite. Dadurch entstehen
in der Regel Temperaturgradienten über den Rohrumfang, die wiederum
zu Materialspannungen und Verformung des Rohres führen. Durch
die Fokussierung insbesondere der direkt auf das Hüllrohr auftreffenden
Strahlen und der achsenfernen Strahlen auf das Absorberrohr wird
auch die dem Spiegel abgewandte Seite des Absorberrohres etwas stärker bestrahlt.
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Die fokussierende Strukturierung
des Hüllrohres
kann vorzugsweise einer Vielzahl von Linsen oder einer Vielzahl
von Polyedern, besonders bevorzugt einer Vielzahl von Prismen entsprechen.
Derartige optische Elemente haben die Eigenschaft, auf das Innere
des Hüllrohres
und damit auf das Absorberrohr zu fokussieren.
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Bei der fokussierenden Strukturierung
kann es sich um eine entsprechend strukturierte Folie handeln, die
auf der Innen- oder Außenseite
des Hüllrohres
angebracht ist. Das Aufbringen auf der Außenseite ist herstellungstechnisch
gesehen einfacher umzusetzen. Um die Folie vor Witterungseinflüssen und Verschmutzung
zu schützen
kann es angebracht sein, die Folie eher auf der Innenseite des Hüllrohres zu
befestigen. Beim Befestigen der Folie ist zu berücksichtigen, dass die Folie
optisch an das Hüllrohr angekoppelt
wird. Sie kann beispielsweise aufgeklebt oder auflaminiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Hüllrohr
um ein gezogenes Glasrohr. Bei gezogenen Glasrohren ist die fokussierende Strukturierung
in Längsrichtung
des Hüllrohres
konstant. Eine linsenartige Strukturierung würde man z. B. durch eine wellenförmige Strukturierung
der Innen- und/oder Außenwand
des Glasrohres erhalten. Eine prismenartige Strukturierung würde man
durch eine im Wesentlichen sägezahnförmige Strukturierung
der Innen- und/oder
Außenwand
des Glasrohres erhalten. Bei der prismenartigen Strukturierung ist
in der Praxis zu beachten, dass ein Abrunden der Prismen nur im
Rahmen des technologisch Möglichen
vermieden werden kann.
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Vorteilhafterweise weist das Hüllrohr auf
der Innen- und/oder Außenseite
eine Antireflexschicht auf. Dadurch wird gewährleistet, dass ein maximaler Anteil
der auf das Hüllrohr
treffenden Strahlung auch auf das Absorberrohr gelenkt wird und
nicht nach außen
reflektiert wird.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
die strukturierten Bereiche nur über
mindestens ein Segment vorzusehen. Beispielsweise wird die Strukturierung auf
der der Sonne zugewandten Seite in dem Bereich teilweise unterbrochen,
in dem die Strahlen auch ohne Umlenkung durch die fokussierende
Strukturierung des Hüllrohres
auf den Absorber treffen. Besonders bevorzugt besteht die Strukturierung
aus zwei Streifen, die symmetrisch in einem Winkelbereich von 20° bis 105°, ganz besonders
bevorzugt in einem Winkelbereich von 35° bis 65° zur normalen Achse der Parabolrinne
am Hüllrohr
angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
des Parabolrinnenkollektors ist der Abstand zwischen Parabolspiegel
und Receiverrohr um ca. den halben Abstand zwischen Hüllrohr und
Absorberrohr verkleinert, wodurch der Fokalpunkt nach oben verschoben wird.
Dadurch werden die Verluste durch Strahlen, die das Absorberrohr
verfehlen, in dem sie unterhalb des Receiverrohres, nämlich zwischen
dem Receiverrohr und dem Spiegel vorbeilaufen, verringert. Dies
führt dazu,
daß die thermische
Last gleichmäßiger über das
Absorberrohr verteilt wird, woraus ein geringerer Temperaturgradient über den
Rohrumfang und somit geringere Verformungen und Materialspannungen
im Absorberrohr resultieren.
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Die Erfindung soll anhand der folgenden Zeichnungen
näher erläutert werden.
Dazu zeigen:
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1 eine
schematische Skizze eines Parabolrinnenkollektors;
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2 den
Strahlengang an einem Receiverrohr;
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3 den
Strahlengang an einem Parabolrinnenkollektor;
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4 ein
Receiverrohr mit segmentiertem Hüllrohr;
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5a, b, c Hüllrohre
mit fokussierenden Strukturen;
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6a den
Strahlengang für
Randstrahlen an einem herkömmlichen
Receiverrohr;
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6b den
Strahlengang für
achsenferne Strahlen bei einem erfindungsgemäßen Receiverrohr;
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7a den
Strahlengang an einem herkömmlichen
Receiverrohr für
direkt von der Sonne einfallende Strahlen;
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7b den
Strahlengang an einem erfindungsgemäßen Receiverrohr für direkt
von der Sonne einfallende Strahlen;
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8a den
lokalen Interceptfaktor in Abhängigkeit
vom Abstand zur optischen Achse und
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8b den
Interceptfaktor in Abhängigkeit vom
Einfallswinkel und
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9 die
Anordnung eines Receiverrohrs in einem Parabolrinnenkollektor.
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In 1 ist
ein Parabolspiegel 1 und ein Receiverrohr 2 dargestellt,
wobei das Receiverrohr 2 im Fokus des Parabolspiegels 1 angeordnet
ist. Die Strahlung fällt
von der der Sonne zugewandten Seite immer in der normalen Richtung
ein, da Spiegel 1 und Receiverrrohr 2 exakt der
Sonnenposition nachgeführt
werden. Auf der dem Spiegel 1 zugewandten Seite des Receiverrohres 2 fällt die
Strahlung unter einen Winkel zwischen 160° und 180° ein. Die Einfallswinkel der
Strahlung sind durch die Pfeile angedeutet.
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In 2 ist
ein Receiverrohr 2 dargestellt, das aus Hüllrohr 3 und
Absorberrohr 4 besteht. Bei den Strahlenbündeln 5, 5' und 6, 6' handelt es
sich um achsennahe 6, 6' und achsenferne 5, 5' Strahlen, die
das Hüllrohr 3 durchlaufen,
ohne das Absorberrohr 4 zu treffen.
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In 3 ist
der Fokussierungsfehler aufgrund einer Spiegeldeformation exemplarisch
dargestellt. Die Verluste entstehen hauptsächlich im Außenbereich des Parabolspiegels 1, da sich
die Fehler aufgrund der größeren Distanz
zum Receiverrohr 2 stärker
auswirken. Verglichen mit der Strahlaufweitung bei einem achsnahen
Strahl 7 (gemessen zur optischen Achse 0) führt die
Strahlaufweitung bei einem achsfernen Strahl 8 aufgrund
der größeren Distanz
zwischen Spiegel 1 und Receiver 2 zu einem größeren Strahlquerschnitt.
In der Regel ist die Verformung des Spiegel 1 am Rande
aufgrund der ungünstigeren
Lastverteilung größer als
im Zentrum. Dadurch nimmt der Spiegelfehler zusätzlich mit steigendem Abstand
zur optischen Achse 0 zu. Die Fokussierungsfehler haben
diverse Konsequenzen: Strahlen 8, die aus dem Randbereich
des Spiegels 1 auf das Hüllrohr 3 treffen,
treten durch dieses zu einem Teil auf der oberen, dem Spiegel abgewandten Seite,
hindurch. Strahlen 7, die aus der Spiegelmitte kommen,
treffen den Receiver 2 nahezu ohne Verluste. Strahlen,
die durch das Hüllrohr 3 hindurchtreten, bevor
sie den Spiegel 1 treffen, treffen zum Teil das Absorberrohr 4.
Ein weiterer Anteil verlässt
das Hüllrohr 3,
ohne das Absorberrohr 4 zu treffen und wird auf den Spiegel 1 gelenkt.
Durch das Hüllrohr 3 werden
die Strahlen jedoch teilweise so stark abgelenkt, dass die das Absorberrohr 4 nach
der Reflektion am Spiegel 1 verfehlen.
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In 4 ist
ein Receiverrohr 2 dargestellt, das aus einem Absorberrohr 4 und
einem in gewissen Segmenten strukturierten Hüllrohr 3 besteht.
In dem in 4 gezeigten
Beispielen ist die Strukturierung im Bereich a weggelassen worden,
in dem die von der Sonne direkt einfallenden Strahlen auch ohne
zusätzliche
Umlenkung auf das Absorberrohr 4 treffen. Außerdem ist
die Strukturierung in dem dem Spiegel zugewandten Bereich des Hüllrohres 3 weggelassen
worden. Denn da der Einstrahlungswinkelraum auf der dem Spiegel
zugewandten Seite nahezu ausgefüllt
ist, kann in diesem Bereich durch die Strukturierung keine signifikante
Steigerung des Interceptfaktor erreicht werden. Speziell im unteren Hüllrohrbereich,
in dem die Strahlung aus einem Winkelbereich von nahezu 180° einfällt, würde sich
sogar eine geringe lokale Verringerung des Interceptfaktors ergeben.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Strukturierung zumindest
in den mit c bezeichneten Segmenten vorhanden sein sollte, das heißt in einem
Winkelbereich von 35° bis
65° zur
Normalen-Achse N der Parabolrinne. Eine weitere Erhöhung des
Interceptfaktors lässt
sich erreichen, wenn auch die mit b und d bezeichneten Segmente
mit einer Strukturierung versehen sind. Dies entspräche einem
Winkelbereich von 20° bis
105° zur
Normalen-Achse N der Parabolrinne. Dadurch lässt sich bei Annahme eines
Spiegelfehlers von 4–5
mrad eine Erhöhung
des Interceptfaktors um bis zu 3 % erreichen.
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In den 5a–c sind beispielhaft konkrete Ausführungsformen
von strukturierten Hüllrohren 3 im
Querschnitt dargestellt. Alle drei Hüllrohre 3 zeigen eine
Strukturierung 9 nur in bestimmten Winkelbereichen. In 5a ist eine linsenförmige Strukturierung 9a,
in 5b eine prismenförmige Strukturierung 9b und
in 5c eine zickzackförmige Strukturierung 9c dargestellt,
die in Hinblick auf einen optimierten Interceptfaktor ausgebildet
ist. Die Grenzflächen
sind so gewählt,
dass bei einem bestimmten Einfallswinkel und Spiegelfehler eine
möglichst
hohe Fokussierung auf das Absorberrohr erreicht wird.
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In 6a ist
der Strahlengang an einem Receiverrohr aus einem Hüllrohr 3 aus
Glas einer endlichen Dicke und einem Absorberrohr 4 dargestellt. Dabei
handelt es sich um einen Strahlengang eines achsfernen Strahlenbündels. Insbesondere
in dem dem Spiegel abgewandten Teil des Hüllrohres 3' treten einzelne
Strahlen in das Hüllrohr 3' ein, die nicht auf
das Absorberrohr 4 treffen. Des Weiteren lässt sich
der leicht defokussierende Effekt des Hüllrohres 3' erkennen. Er
wird verursacht durch die endliche Dicke des Hüllrohres 3 und durch
den unterschiedlichen Brechungsindex von Glas und Luft bzw. Glas und
Vakuum. In 6b ist das
Hüllrohr 3 auf
der Hüllrohrinnenseite
mit einer Sägezahnstruktur
versehen, die insbesondere in den Winkelbereichen 90° bis 20° zur normalen
Achse besonders ausgeprägt
ist. Das Sägezahnprofil
wirkt auf die einfallenden achsfernen Stahlen wie eine Anordnung
von Prismen, die einen Großteil
der andernfalls defokussierten einfallenden Strahlen auf das Absorberrohr 4 lenken.
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In den 7a und 7b werden die gleichen Anordnungen
wie in den 6a und 6b für Strahlen verglichen, die
direkt von der Sonne auf das Receiverrohr 2 aus Hüllrohr 3 und
Absorberrohr 4 fallen. Das Verhältnis der Strahlen, die auf
das Absorberrohr 4 treffen und an ihm vorbeigehen, entspricht
dem Verhältnis
der Querschnittsflächen
im Längsschnitt durch
das Absorberrohr 4 einerseits und durch das Hüllrohr 3 andererseits
(6a). Außerdem wird beim
Einfall in normalen Richtung der defokussierende Effekt des Hüllrohres 3' besonders deutlich.
Zwar werden beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Hüllrohres 3 auch nicht
alle Strahlen auf das Absorberrohr 4 gelenkt. Der Anteil
der das Absorberrohr 4 treffenden Strahlen an den das Hüllrohr 3 treffenden Strahlen
kann allerdings signifikant erhöht
werden.
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Dieser Effekt wird auch anhand der
Graphen in den 8a und 8b deutlich. In 8a ist der lokale Interceptfaktor
in Prozent in Abhängigkeit
des Abstandes zur optischen Achse in Millimetern dargestellt. Die
durchgezogene Linie entspricht einem herkömmlichen unstrukturierten Hüllrohr.
Die gestrichelte Linie entspricht einem erfindungsgemäßen Hüllrohr mit
fokussierender Struktur. Deutlich erkennbar ist die Erhöhung des
Interceptfaktors bei direkt von der Sonne einfallender Strahlung
(Abstand zur optischen Achse nahe 0 mm) und im achsfernen Bereich ungefähr ab 2000
mm Abstand der optischen Anlage. Auch in Abhängigkeit vom Einfallswinkel
zur Normalen-Achse (8b)
lässt sich
der Interceptfaktor durch die fokussierende Struktur des Hüllrohres
zwischen ca. 1 % (Einfallswinkel zwischen 0° und 10°) und 3 % (Einfallswinkel zwischen
50° und
60°) erhöhen.
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In 9 ist
eine bevorzugte Anordnung des Receiverrohrs 2 aus Hüllrohr 3 und
Absorberrohr 4 bezüglich
des Parabolspiegels 1 skizziert. Üblicherweise wird das Receiverrohr 2 im
Fokalpunkt F angeordnet (gestrichelt). Um aber die Anzahl der Strahlen, die
das Absorberrohr verfehlen, indem sie unterhalb des Receiverrohrs 2 verlaufen,
zu verringern, wird das Receiverrohr 2 um den halben Abstand
d zwischen Hüllrohr 3 und
Absorberrohr 2 aus dem Fokalpunkt F in Richtung Parabolspiegel 1 verschoben
angeordnet.