DE19732481A1 - Solarkollektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor, wie er z. B. in einem solarthermischen Kraftwerk eingesetzt wird, zur Fokussierung einfallender Solarstrahlung auf ein Absorberrohr, durch das ein Wärmeträgermedium zirkuliert.

Als Solarkollektoren werden meist Rinnensysteme ver­ wendet. Derartige Systeme weisen einen langgestreckten rinnenförmigen Reflektor auf, der üblicherweise para­ bolischen Querschnitt hat. Das Absorberrohr ist in der Brennlinie des Rinnenreflektors angeordnet. Die Fach­ werkkonstruktion zur Aufnahme der Spiegelflächen des Rinnenreflektors und die Aufständerung des Rinnenre­ flektors, der einachsig dem Stand der Sonne nachgeführt werden muß, sind ziemlich aufwendig, denn ein störungs­ freier Betrieb soll auch bei höheren Windgeschwindig­ keiten garantiert sein. Um diese Anlagen, die eine gro­ ße Angriffsfläche für Luftströmungen bilden, optisch mit der notwendigen Genauigkeit betreiben zu können, ist eine große Steifigkeit der Fachwerkkonstruktion erforderlich und damit ein entsprechend großer Aufwand bei der Erstellung und bei dem Betrieb der Anlage ver­ bunden. Dieser Aufwand steigt weiter an, wenn die Re­ flektorfläche zur Erhöhung der Solarstrahlkonzentration weiter vergrößert wird.

Die US-PS 4 848 319 beschreibt einen Solarenergiekon­ zentrator, der eine dünne flexible Fresnellinse aus Kunststoff zur Fokussierung von einfallender Solar­ strahlung auf ein Absorberrohr aufweist. Die Fresnel­ linse ist in einem Rahmen befestigt, der von dem Ab­ sorberrohr zu dessen Sonnenseite hin relativ weit ab­ steht. Die Prismen der einzelnen Linsensegmente lenken die einfallende Solarstrahlung auf das Absorberrohr. Bedingt durch den großflächigen Aufbau der Fresnellinse ist dieser Solarkonzentrator sehr windanfällig. Durch die einseitige Lastverteilung des Systems, insbesondere bei starkem Wind, muß der Motor, der den Konzentrator der Sonne nachführt, ein entsprechend hohes Drehmoment aufweisen. Dieser Nachteil ist bei allen Parabolrinnen­ kollektoren vorhanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Solarkollektors zu vereinfachen und die Wind­ anfälligkeit des Kollektors zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Solarkollektor weist ein von einem Wärmeträgermedium durchströmtes Absorberrohr und einen langgestreckten strahlungsdurchlässigen Konzentrator, der das Absorberrohr umgibt, auf. Der Konzentrator ist ein umfangsmäßig geschlossenes Rohr, was bedeutet, daß er eine geschlossene Rohrhülle aufweist. An seinem der Sonne zugewandten Umfangsbereich weist der Konzentrator Ablenkprismen zur Fokussierung der Solarstrahlung auf das Absorberrohr auf. Der Konzentrator dient nicht nur zur Bündelung der Primärstrahlung auf das Absorberrohr, sondern schützt auch das heiße Absorberrohr vor Umwelt­ einflüssen. Eine runde Außenfläche des Konzentrators bietet Luftströmungen einen minimalen Umströmungs­ widerstand. Daher ist ein ordnungsgemäßer Betrieb auch bei höheren Windgeschwindigkeiten möglich. Durch die rohrförmige Ausbildung des Konzentrators ist die Mas­ senverteilung über seinen Umfang nahezu konstant, so daß sein Massenträgheitsmoment sehr gering ist. Eine Verstelleinrichtung, die den Solarkollektor einachsig dem Stand der Sonne nachführt, muß daher kein großes Drehmoment aufweisen. Ein einziger Verstellantrieb kann eine große Anzahl von Solarkollektoren synchron im Tagesverlauf dem Stand der Sonne nachführen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Konzentrator in dem der Sonne abgewandten Umfangsbereich einen Reflektor zur Fokussierung ein­ fallender Strahlung auf das Absorberrohr auf. Dieser Reflektor kann aus einer einfach gekrümmten Spiegel­ fläche bestehen. Die Ablenkprismen sind voneinander beabstandet, so daß die einfallende Strahlung in Durch­ gangsbereichen zwischen den Prismen auf den Reflektor durchgelassen wird, der die einfallende Solarstrahlung auf den der Sonne abgewandten Umfangsbereich des Absorberrohres leitet.

Durch die Kombination von Durchgangsbereichen und Ablenkprismen, die die Solarstrahlung auf die der Sonne zugewandten Seite des Absorberrohres konzentrieren, wird erreicht, daß die Strahlungseinleitung über den Umfang des Absorberrohres gleichmäßig verteilt wird. So wird ein Teil der auf den Konzentrator auftreffenden Solarstrahlung mit Hilfe der Ablenkprismen auf den der Sonne zugewandten Umfangsbereich des Absorberrohres gelenkt, während der verbleibende Teil durch die Durch­ gangsbereiche hindurchtritt und von dem Reflektor auf dem der Sonne abgewandten Umfangsbereich des Absorber­ rohres umgelenkt wird. Durch die nahezu gleichmäßige Wärmeverteilung auf dem Umfang des Absorberrohres wer­ den die thermische Belastung des Rohres und die Ab­ strahlverluste reduziert.

Die Anordnung des Reflektors innerhalb des Konzen­ trators hat den Vorteil, daß der Reflektor nicht ver­ schmutzt und daß der gesamte Solarkollektor eine geschlossene Außenform hat, die eine geringe Tendenz zum Verschmutzen hat und eine geringe Angriffsfläche für Luftströmungen bietet. Wegen des integrierten Reflektors läßt sich der vorgefertigte Solarkollektor am Einsatzort auch einfach aufstellen, ohne daß noch Justiervorgänge im Inneren des Kollektors erforderlich sind.

Die Ablenkprismen können auf zwei verschiedene Arten über den Umfang des Konzentrators verteilt sein. Bei einer ersten Variante der Erfindung sind die Ablenk­ prismen in den Randbereichen der der Sonne zugewandten Umfangsseite des Konzentrators ausgebildet, so daß der mittlere Umfangsbereich des Konzentrators bevorzugter­ weise bis ±40° gegen die Symmetrieebene, einen groß­ flächigen Durchgangsbereich bildet, wobei die in dem Durchgangsbereich einfallende Strahlung ohne wesent­ liche Ablenkung durch die Rohrwand hindurchtritt und auf den rückwärtigen Reflektor auftrifft. Die Ab­ lenkprismen in den beiden räumlich getrennten Gruppen sind direkt nebeneinander angeordnet. Bei einer zweiten Variante sind Ablenkprismen auch in dem mittleren Be­ reich des Absorberrohres ausgebildet. Die Ablenkprismen in dem mittleren Bereich sind jeweils voneinander beab­ standet, so daß zwischen den Ablenkprismen Durchgangs­ bereiche gebildet werden, durch die die einfallende Solarstrahlung hindurchtritt und auf den rückwärtigen Reflektor gelangt, der diesen Teil der Solarstrahlung auf die rückwärtige Seite des Absorberrohres reflek­ tiert. Die Anzahl und die Größe der Ablenkprismen sind bei beiden Varianten so bemessen, daß die Projektion, d. h. die Breite, der parallel einfallenden Solarstrah­ lung, die auf die Umfangsbereiche mit den Ablenkprismen trifft, gleich der Projektion der auf die Durchgangsbe­ reiche einfallenden Solarstrahlung ist oder zumin­ dest einem Verhältnis von 60 zu 40%, bzw. umge­ kehrt, entspricht.

Der Konzentrator kann an seinem den Ablenkprismen gegenüberliegenden Umfangsbereich einen kleineren Flächenquerschnitt umschließen als in dem die Ablenk­ prismen aufweisenden Umfangsbereich. Der den Ablenk­ prismen gegenüberliegende rückwärtige Umfangsbereich ist der Parabolform des Reflektors angepaßt und weist eine kleinere Außenfläche als der der Sonne zugewandte Umfangsbereich auf. So kann Material und Gewicht gespart werden, so daß kleinere Verstelleinheiten für die Sonnennachführung des Solarkollektors verwendet werden können. Weiterhin wird der Raum zwischen Konzen­ trator und Absorberrohr verkleinert, was den Aufwand einer Evakuierung dieses Raumes verringert. Üblicher­ weise ist der Zwischenraum zwischen dem Absorberrohr und einer das Absorberrohr umgebenden transparenten Umhüllung evakuiert, so daß in dem Innenraum die Wärme­ übertragung durch Konvektion unterbunden wird. Die Wand des rückwärtigen Umfangsbereichs kann an der Innenseite als Reflektor ausgebildet sein.

Vorteilhafterweise werden die Ablenkprismen von der runden Außenfläche des Konzentrators und geraden innen­ liegenden Kärnten begrenzt. Dies hat den Vorteil, daß Kanten an der Außenkontur des Konzentrators vermieden werden, die zu einer Verschmutzung und damit zu einer Verschlechterung der optischen Durchlässigkeit führen würden.

Der Konzentrator kann eine Symmetrieebene aufweisen, die durch die Mittelachse des Konzentrators und durch die Sonne verläuft. Die Symmetrieebene schneidet den Konzentrator in einer Scheitellinie, auf die die Solar­ strahlung in dem der Sonne zugewandten Umfangsbereich des Konzentrators - abgesehen von den jahreszeitlichen Winkelabweichungen, die die Kosinusverluste verursachen- senkrecht auftrifft. Vorteilhafterweise sind die Ab­ lenkprismen in einem Winkelbereich bis zu ±60°, im Extremfalle auch bis zu ±85°, ausgehend von der Sym­ metrieebene, ausgebildet.

Der Konzentrator kann an dem der Sonne zugewandten Umfangsbereich eine langgestreckte, auf das Absorber­ rohr fokussierte bikonvexe Sammellinse aufweisen. Die Sammellinse ist mittig angeordnet, d. h. ihre optische Achse liegt in der Symmetrieebene des Konzentrators, in der die Solarstrahlung, bedingt durch die Nachführung des Solarkollektors, stets senkrecht einfällt.

Solarkollektoren lassen sich über einen rechnerischen Konzentrationsfaktor KF vergleichen. Beispielsweise hat ein Rinnenkollektor mit einer Aperturweite von 5760 mm und einem Absorberrohrdurchmesser von 70 mm einen Kon­ zentrationsfaktor KF = 82. Da der erfindungsgemäße So­ larkollektor unbeeinflußt durch Belastungen von starken Luftströmungen durch seine optische Ausgestaltung die Primärstrahlung konzentriert und genau ausgerichtet dem Absorberrohr zuführt, kann der Durchmesser des Absor­ berrohres relativ klein gewählt werden. Der Durchmesser des Absorberrohres kann z. B. 38 mm betragen, so wie er bei Siederohren in Kesseldampferzeugern üblich ist. Bei gleichem Durchmesser des Konzentrators von 5760 mm er­ hält man so einen Konzentrationsfaktor KF = 152. Der erfindungsgemäße Solarkollektor weist also einen Kon­ zentrationsfaktor auf, der 1,8mal größer ist als der eines üblichen Rinnenkollektors.

Dadurch, daß der Durchmesser des Absorberrohres ver­ kleinert werden kann, reduzieren sich die Abstrahl­ verluste. Weiterhin kann bei gleicher Wandstärke des Absorberrohres der Druck des Wärmeträgermediums erhöht werden, so daß dieses länger in der flüssigen Phase verbleibt, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungs­ beispiel eines Solarkollektors,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel eines Solarkollektors,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein drittes Ausfüh­ rungsbeispiel eines Solarkollektors.

Der in Fig. 1 dargestellte Solarkollektor 1 weist einen rohrförmigen strahlungsdurchlässigen Konzentrator 2 auf, der einfallende Solarstrahlung 3 auf ein Absorber­ rohr 4 fokussiert. Der Konzentrator 2 besteht aus einem transparenten Material, dessen optische Dichte größer ist als diejenige von Luft, wie z. B. Glas. Das Ab­ sorberrohr 4 wird von einem Wärmeträgermedium 5, das durch die konzentrierte Solarstrahlung erhitzt wird, durchströmt. Das Absorberrohr 4 besteht aus Metall und hat eine schwarze strahlungsabsorbierende Oberfläche.

An seinem der Sonne zugewandten Umfangsbereich weist der Konzentrator 2 eine Wandstruktur aus längs laufenden Ablenkprismen 6 auf. Die Ablenkprismen 6 werden von der runden Außenwand 7 des Konzentrators 2 und geraden, in Konzentrator 2 angeordneten abstrahlenden Flächen 8 gebildet. Im Gegensatz zu einer Fresnellinse ist es möglich, bei glatter Eintrittsfläche und strukturierter Austrittsfläche letztere so zu gestalten, daß eine kleinere oder größere Anzahl von Ablenkprismen 6 ent­ steht, um die einfallende Solarstrahlung 3 auf das Ab­ sorberrohr 4 zu konzentrieren. Diese Ausgestaltung kann vorgenommen werden, da die äußere Kreisfläche 7 die einfallende Solarstrahlung 3 bereits in Richtung des Absorberrohres 4 umlenkt und konzentriert und weil der Strahlverlauf nicht wie bei einer Fresnellinse nach der Umlenkung parallel ist, sondern fokussierend.

Der Konzentrator 2 ist symmetrisch aufgebaut. Er hat eine Symmetrieebene 9, die durch die Mittelachse des Konzentrators 2 und durch die Sonne verläuft. Die parallele Solarstrahlung 3 trifft nur an einer Schei­ tellinie, die der Schnittlinie der Symmetrieebene 9 mit der äußeren Kreisfläche 7 des Konzentrators 2 ent­ spricht, senkrecht auf die runde Außenfläche 7 auf. Da der Solarkollektor 1 der Sonne nachgeführt wird, ist diese Scheitellinie ortsfest auf dem Konzentrator 2.

Im Bereich der Symmetrieebene 9 ist der der Sonne zugewandte Umfangsbereich des Konzentrators 2 als bi­ konvexe Sammellinse 10 (Zylinderlinse) ausgebildet. Die optische Achse der Sammellinse 10 liegt in der Symme­ trieebene 9. Die Sammellinse 10 erstreckt sich in einem Bereich von bis zu ±15° bezogen auf die Symmetrieebene 9. An die Sammellinse 10 schließen sich die Ablenkpris­ men 6 an. Sie erstrecken sich über einen Winkelbereich von ±15° bis maximal ±85°. Die Ablenkprismen 6 in den Bereichen links und rechts der Symmetrieebene 9 sind symmetrisch zueinander ausgebildet. Mit der Änderung des Winkelbereichs ändert sich auch die Form der Ab­ lenkprismen, um sicherzustellen, daß die einfallende Solarstrahlung 3 jeweils auf das Absorberrohr 4 fokus­ siert wird.

Praktischerweise sollte die abstrahlende Fläche 8 eines einzelnen Prismas die 2- bis 3-fache Wandstärke des Rohrkonzentrators 2 nicht überschreiten. Daraus ergibt sich die Anzahl der Ablenkprismen 6 auf dem Umfang des Rohrkonzentrators 2. Die Umfangsfläche, die für die Ablenkprismen 6 vorgesehen ist, wird begrenzt durch den Umfangsbereich auf dem die bikonvexe Sammellinse 10 angeordnet ist und durch den maximalen Winkel von 85° des Winkelbereiches für die Ablenkprismen 6.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2 ist der der Sonne zugewandte Umfangsbe­ reich des Konzentrators 2a nicht vollständig mit Ab­ lenkprismen 6 bedeckt. Die sich an die zentrale Sammel­ linse 10 anschließenden Umfangsbereiche 11 weisen keine Ablenkprismen auf, sie werden von der glatten Rohrwand des Konzentrators 2a gebildet. Die Umfangsbereiche 11 erstrecken sich innerhalb eines Winkelbereichs von ±15° bis ±40° bezogen auf die Symmetrieebene 9. An die Umfangsbereiche 11 schließen sich mit Ablenkprismen 6 versehene Umfangsbereiche 12 an. Die Umfangsbereiche 12 liegen in einem Winkelbereich von ±40° bis ±85°. rückwärtigen, d. h. der Sonne abgewandten Bereich des Konzentrators 2a befindet sich ein Reflektor 13, der denjenigen Anteil der einfallenden Solarstrahlung 3, der durch die Umfangsbereiche 11 in den Konzentrator 2a einfällt, auf die rückwärtige Seite des Absorberroh­ res 4 reflektiert.

Das Absorberrohr 4 wird gleichmäßig über seinen Umfang erwärmt, von vorne mit Hilfe der Sammellinse 10, seit­ lich durch die Ablenkprismen 12 und im rückwärtigen Bereich durch den Reflektor 13. Die Sammellinse 10, die Umfangsbereiche 11 zum Durchleiten der Solarstrahlung auf den Reflektor 13 und die Ablenkprismen 6 sind der­ art über den Umfang des Konzentrators 2a verteilt, daß auf den der Sonne zugewandten Umfangsbereich des Absor­ berrohres 4 der gleiche Betrag an Strahlung einfällt wie auf der rückwärtigen Seite. Dazu sind die Breiten der einzelnen Umfangsbereiche 10, 11, 12 so bemessen, daß die durch die parallel einfallende Solarstrahlung ver­ ursachten Projektionen der Umfangsabschnitte 10 und 12 die gleiche Gesamtbreite haben wie die Projektionen der Umfangsbereiche 11.

In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel darge­ stellt. Der der Sonne zugewandte Umfangsbereich des Konzentrators 2b ist nicht vollständig mit Ablenk­ prismen 6 bedeckt. Statt dessen sind die einzelnen Ablenkprismen 6 voneinander beabstandet, so daß Be­ reiche zwischen den Prismen 6 entstehen, in denen die einfallende Solarstrahlung 3 im wesentlichen unabge­ lenkt hindurchtreten kann. In einem Winkelbereich von ±15-40° sind die Ablenkprismen 6 voneinander beab­ standet, in dem anschließenden Winkelbereich bis ±85° sind die Prismen 6 direkt nebeneinander angeordnet. Die Sammellinse 10 fokussiert die parallel einfallende So­ larstrahlung 3 auf denjenigen Umfangsbereich des Absor­ berrohres 4, der der Sonne direkt zugewandt ist. Die unterschiedlich ausgebildeten Ablenkprismen 6 fokussie­ ren diejenigen Strahlen 3, die seitlich neben der Sam­ mellinse 10 auf die Außenfläche 7 des Konzentrators 2 auftreffen, auf das Absorberrohr 4.

In dem der Sonne abgewandten Umfangsbereich weist der Konzentrator 2b an seiner Innenseite einen Reflektor 13a auf. Der Reflektor 13a wird durch eine Beschichtung auf der Rückwand des Konzentrators 2b gebildet. Der Reflektor 13a reflektiert denjenigen Teil der einfal­ lenden Solarstrahlung 3, der zwischen den Ablenkprismen 6 in den Konzentrator 2 eintritt, auf den hinteren, der Sonne abgewandten Umfangsbereich des Absorberrohres 4. Das Absorberrohr 4 wird gleichmäßig von allen Seiten erhitzt.

Claims (12)

1. Solarkollektor (1) mit einem von einem Wärme­ trägermedium (5) durchströmten Absorberrohr (4) und einem langgestreckten strahlungsdurchlässigen, die einfallende Solarstrahlung (3) auf das Ab­ sorberrohr (4) konzentrierenden Konzentrator (2; 2a; 2b), der das Absorberrohr (4) umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (2; 2a; 2b) ein umfangsmäßig geschlossenes Rohr ist, das an dem der Sonne zu­ gewandten Umfangsbereich Ablenkprismen (6) zur Fo­ kussierung der Solarstrahlung (3) auf das Absor­ berrohr (4) aufweist.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Konzentrator (2a; 2b) in dem der Sonne abgewandten Umfangsbereich ein Reflektor (13; 13a) zur Fokussierung einfallender Strahlung (3) auf das Absorberrohr (4) vorgesehen ist, und daß auf dem der Sonne zugewandten Umfangsbereich Durchlaßbereiche (11; 11a) vorgesehen sind, die einfallende Strahlung (3) auf den Reflektor (13; 13a) durchlassen.

3. Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchlaßbereiche (11) sich nahe einer Symmetrieebene (9) des Konzentrators (2) befinden, während die Ablenkprismen (6) hiervon seitlich angeordnet sind.

4. Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchlaßbereiche (11a) ab­ wechselnd mit den Ablenkprismen (6) ausgebildet sind.

5. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (13) separat in dem Konzentrator (2a) ausgebildet ist.

6. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (2b) an seinem der Sonne abgewandten Umfangsbereich einen kleineren Flächenquerschnitt umschließt als in dem die Ablenkprismen (6) aufweisenden Umfangs­ bereich.

7. Solarkollektor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wand des Konzentrators (2b) in dem Umfangsbereich kleineren Flächenquerschnitts einen Reflektor (13a) zur Fokussierung einfal­ lender Strahlung (3) auf das Absorberrohr (4) bil­ det.

8. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Ablenk­ prismen (6) von einer runden Außenfläche (7) des Konzentrators (2; 2a; 2b) und jeweils einer geraden innenliegenden Kante (8) begrenzt ist.

9. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1-8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ablenkprismen (6) innerhalb eines Winkelbereichs bis ±85°, ausge­ hend von einer Symmetrieebene (9) des Konzen­ trators (2; 2a; 2b) ausgebildet sind.

10. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1-9, da­ durch gekennzeichnet, daß die abstrahlende Fläche (8) eines Ablenkprismas (6) kleiner ist als die zwei- bis dreifache Wandstärke des Konzentrators (2; 2a; 2b).

11. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1-10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (2; 2a; 2b) in dem der Sonne zugewandten Umfangs­ bereich mindestens eine langgestreckte, auf das Absorberrohr (4) fokussierte bikonvexe Sammellinse (10) aufweist.

12. Solarkollektor nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zentrale Sammellinse (10) in einem Winkelbereich von ±15° ausgehend von der Symmetrieebene (9) des Konzentrators (2; 2a; 2b) ausgebildet ist.