DE19747241A1

DE19747241A1 - Solarkollektor

Info

Publication number: DE19747241A1
Application number: DE19747241A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Ing Conrad
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-25
Filing date: 1997-10-25
Publication date: 1998-04-16
Also published as: DE29813525U1

Description

In der Solarthermie haben Solarkollektoren vornehmlich die Aufgabe, den auftreffenden Energiestrom möglichst vollstän dig aufzunehmen, das hohe Temperaturniveau des Sonnenlich tes im Rahmen des Möglichen zu erhalten und die empfangene Energie in einer für den Transport zum Verbraucher geeigneten Form bereitzustellen. Die Erfindung betrifft daher einen So larkollektor zur Energiegewinnung, welcher durch seine beson dere Ausgestaltung in der Lage ist, eine höhere Energieaus beute zu erzielen.

Der Verbesserung des Anteiles der einfallenden Energie ist eine Vielzahl von Lösungen gewidmet.

Für einen gegebenen Kollektor ist ein erster Weg die Vergrö ßerung der Fläche, von der das Sonnenlicht gesammelt wird. Die Realisierung erfolgt mit verschiedenen Hilfsmitteln; von einfachen Linsen- und Spiegelsystemen über linsenähnliche Vorrichtungen, wie sie in der DE 34 27 355 vorgeschlagen wer den, bis hin zur Bündelung mit facettenförmigen Lichtleit elementen, wie in der DE 41 26 623 aufgezeigt wird.

Zusätzlich gibt es Lösungen, den Kollektor, beziehungsweise die vorgenannten Zusatzelemente derart auszulegen, daß gleich zeitig aus unterschiedlichen Richtungen einfallendes Licht aufgenommen werden kann, wie es in den Schriften DE 36 34 213, DE 39 34 516 und DE 40 06 516 beschrieben wird. Das bietet den Vorteil, auch die diffuse Sonneneinstrahlung und andere Hintergrundstrahlungen nützen zu können. Gleichzeitig kann die Notwendigkeit zur Nachführung des Kollektors, dem jeweili gen Sonnenstand entsprechend, entfallen.

Ein weiterer Weg ist mit einer effektiveren Absorption gegeben. Dazu werden Strahlungsfallen vorgeschlagen, die in der Regel auf dem Prinzip beruhen, daß das einfallende Licht zu einer Vielzahl von Reflexionen an der Absorberoberfläche gezwungen werden. Da bei jeder Reflexion auch ein Teil des auf treffen den Lichtes absorbiert wird, steigt die Energieausbeute. In der DE 42 06 484 wird das durch parallele Leitflächen, welche vor der Absorberfläche angeordnet werden und mit dieser einen kleinen Spalt bilden, in dem die Mehrfachreflexion stattfin den, erreicht. Ein ähnlicher Effekt wird beispielsweise in der DE 44 20 234 durch das Aufbringen einer dünnen Schicht aus lichtdurchlässigem Material mit einem Brechungsindex < 1 bewerkstelligt. Hier wird das nicht absorbierte, vom Absorber reflektierte Licht an der äußeren Grenze der aufgebrachten Schicht zur umgebenden Luft teilweise in Richtung Absorberflä che zurückgeworfen, worauf erneut eine anteilmäßige Absorption erfolgt.

Als Medium zur Aufnahme und zum Transport der absorbierten Ener gie kommen in Solarkollektoren in der Regel Flüssigkeiten oder Gase zur Anwendung. Um das verfügbare Temperaturniveau zu er höhen, werden in der DE 39 03 431, in der DE 39 10 290 und der DE 42 23 779 verschiedene Methoden der Wärmerückführung vor geschlagen und mit der Lösung gemäß DE 38 24 759 können Wärme verluste verringert werden. Für Flüssigkeiten existiert dabei generell eine obere Grenztemperatur, bei deren Überschreitung sie sich zersetzen. Wie die Lösungen in der DE 34 20 118 und auch der DE 37 29 758 zeigen, sind mit Gasen höhere Werte er reichbar, wobei die Auslösung chemischer Prozesse und Phasen übergänge teilweise erwünscht sind und zum Energietransport verwendet werden. Gleichzeitig wird das Gas zur Absorption des Sonnenlichtes genutzt, was im dreidimensionalen Raum geschieht und damit eine bessere Energieausbeute zuläßt als die sonst üblichen zweidimensionalen Absorberflächen. Trotzdem kann das im Sonnenlicht vorhandene Temperaturniveau - bis zu etwa 6000 K - bei weitem nicht ausgeschöpft werden, da auch ein heißes Gas nur unter hohen Verlusten zum Verbraucher transportiert wer den kann.

Die höchsten Temperaturen werden in Anlagen erreicht, in denen das Sonnenlicht selbst bis zum Verbraucher geleitet wird. Das geschieht in der Regel mit Hilfe von Spiegeln, Linsen oder Prismen, beziehungsweise einer Kombination dieser Elemente. Lösungen dazu sind in der DE 36 07 484 sowie der DE 36 37 743 aufgezeigt.

Gemeinsamer Nachteil all dieser Anlagen ist die starre Verbin dung vom Kollektor zum Verbraucher und, daß sich der Verbrau cher möglichst nahe am Kollektor befinden muß.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe Solarenergie in einer Form zu sammeln die es gestattet, diese am Verbraucher unter Er haltung des hohen Temperaturniveaus der Sonneneinstrahlung be reitzustellen. Dazu wird erfindungsgemäß ein kostengünstiger Sonnenkollektor vorgeschlagen.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, durch die im kennzeich nenden Teil des Anspruches 1 aufgezeigten technischen Merkmale.

Die Aufgabe wird gelöst, indem der erfindungsgemäße Solarkollek tor die ein fallende Sonnenenergie nicht wie üblich sofort ab sorbiert und damit in Wärmeenergie umwandelt, sondern sie in ihrer ursprünglichen Form als Licht- und Wärmestrahlung sam melt. Dazu wird der Lichtempfänger wie ein Lichtwellenleiter aufgebaut. Er besteht aus mindestens zwei Komponenten licht durchlässigen Materials mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Das Licht tritt durch die Fläche eines Lichtwellenleiters in den aus der Komponente mit dem größeren Brechungsindex beste henden Kollektor ein. Die zweite Kollektor-Komponente mit dem kleineren Brechungsindex ist mindestens in einer Schicht so auf der Oberfläche und im Inneren der ersten Kollektor-Kompo nente angeordnet, daß mittels Totalreflexion an diesen Schich ten das Licht:

- gehindert wird, den aus der Kollektor-Komponente mit dem größeren Brechungsindex bestehenden Kollektorteil zu ver lassen;
- unter Verringerung des Querschnittes des Lichtstromes zum Ausgang geführt und dort in einen Lichtwellenleiter einge speist wird.

Der Verbraucher erhält die Sonnenenergie in Form von Licht und Wärmestrahlung aus diesem Lichtwellenleiter. Die Vorteile dabei sind:

- Das hohe Temperaturniveau des Sonnenlichtes bleibt somit bis zum Verbraucher erhalten. Solarenergie kann damit direkt für technologische Prozesse eingesetzt werden, die
- eine hohe Temperatur erfordern, wie sie beispielsweise bei der Erzeugung von Metall- oder Glasschmelzen, der Müllver brennung sowie weiterer chemischer Prozesse benötigt werden;
- die Energie in Form von Licht für chemische Reaktionen be nötigen;
- Licht für Beleuchtungszwecke benötigen.
- Die Verbindung zwischen Kollektor und Verbraucher kann dabei flexibel gestaltet werden.
- Der Abstand zwischen Kollektor und Verbraucher kann mit die ser Lösung vergrößert werden.

Die Übertragung von Wärmeenergie bei Temperaturen bis zu 6000 K mit Substanzen als Wärmeträger ist nur unter großen Verlusten möglich. Die Verluste bei Übertragungen von Licht in Lichtwel lenleitern konnten in den letzten Jahren erheblich verringert werden und sind für ausgewählte Frequenzen bei den in Frage kommenden Entfernungen vernachlässigbar. Hauptsächlich aber ist die Materialforschung für Lichtwellenleiter im Sinne einer ver lustarmen Übertragung noch lange nicht ausentwickelt.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Solarkollektor in Form eines Bündels von Lichtwellenleitern

Fig. 2 Schema der Kopplung von Lichtwellenleitern

Fig. 3 Solarkollektor in Trichterform

Fig. 4 Solarkollektor in Flachbauweise

Fig. 5 Schema der inneren Struktur eines Lichtwellen leiters zur Lichtaufnahme durch die Seiten- oder Mantelfläche

Fig. 6 Lichtwege im Lichtwellenleiter des Solarkollek tors mit Lichtaufnahme durch die Seitenflächen.

Ein Solarkollektor in der Form eines Bündels von Lichtwellenlei tern 6, stellt die unkomplizierteste Realisierungsmöglichkeit dar. Der Lichteinfall 4 erfolgt über die Stirnflächen der Licht wellenleiter 3 in gleichzeitig mehreren Lichtwellenleitern 6 und wird in jedem einzeln separat zum Verbraucher 5 geleitet. Merk liche Energiemengen können mit einer derartigen Anordnung nur in Verbindung mit Spiegeln, Linsen oder ähnlichen optischen Elemen ten übertragen werden, die die Solarenergie außerhalb des Solar kollektors sammeln und auf die Stirnflächen 3 der Lichtwellen leiter 6 konzentrieren.

Durch den Einsatz von Kopplern 8, kann die Anzahl der Lichtwel lenleiter 6 in der Übertragungsleitung verringert werden. Die Fig. 2 zeigt den Übergangsbereich eines Bündels zahlreicher Lichtwellenleiter 6, der im Idealfall mit der Einkopplung der Gesamtenergie in einem einzigen Lichtwellenleiter 6 endet. Ein weiteres Ausführungsbeispiel stellen Solarkollektoren in Flachbauweise dar. Die Fig. 4 zeigt ein Beispiel für einen derart konstruktiv ausgeführten Solarkollektor, der nach dem Prinzip eines Stufen-Index-Lichtwellenleiter aufgebaut ist. Der Solarkollektor stellt dabei eine strukturierte Platte aus lichtdurchlässigem Material, vorzugsweise Glas dar, in welche lokale Schichten 7 mit einer Brechzahl, die unter dem Brechungsindex ihrer Umgebung liegt, eingelassen sind. Diese lokalen Schichten 7 wirken als beidseitige Spiegel mit einer Totalreflexion. Sie teilen die Platte in einzelne Sektoren. Jeder Sektor wirkt dabei wie ein einzelner Lichtwellenleiter 6. Das Licht wird in seiner Richtung umgelenkt und nachfolgend in einen gemeinsamen Kanal geleitet sowie dem Verbraucher 5 zugeführt.

Die Fig. 3 stellt das Ausführungsbeispiel eines Solarkollektors in Trichterform dar. Dabei werden die Kollektor-Komponente 1 mit größerem Brechungsindex und die Kollektor-Komponente 2 mit kleinerem Brechungsindex auf einen Träger in trichterähnlicher Form aufgebracht. Um dabei Material zu sparen, wird der Innen raum von außen her in Richtung des sich verjüngenden Trichters treppenförmig ausgefüllt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 gelangt das Licht durch die Seiten-, beziehungsweise Mantelfläche 10 in die Fasern der Lichtwellenleiter 6. Die Fig. 6 zeigt den Grundaufbau der benutzten Fasern der Lichtwellenleiter 6. Der aus der Kollek tor-Komponente 1 bestehende Kern der Faser besitzt eine beson ders geformte Oberfläche, beispielsweise wie in Fig. 5 ausge führt, pyramidenstumpfförmig. Die bei der Kollektor-Komponen te 2 gebildete Mantelfläche 10 ist mit lichtstreuenden Beimen gungen versehen. In der Fig. 6 ist ferner ausgeführt, wie ein Teil des in der Mantelfläche 10 gestreuten Lichtes in den Faser kern gelangt und diesen nicht mehr verlassen kann. Zur Reali sierung eines solchen Solarkollektors ist es lediglich notwen dig, daß eine genügend lange Faser, vorzugsweise als Spule, oder als Knäuel, der Sonnenstrahlung ausgesetzt wird.

Der Solarkollektor ist mit seinen mindestens zwei lichtdurch lässigen Kollektor-Komponenten 1 und 2 aus vorzugsweise Glas mit unterschiedlichen Brechindizes dabei derart aufgebaut, daß die äußere Kollektor-Komponente 2 mit der kleineren Brechzahl, die Kollektor-Komponente 1 mit einer größeren Brechzahl um hüllt und/oder als lokale Schichten 7 in dieser enthalten ist. Das Licht tritt in die Kollektor-Komponente 1 mit der größeren Brechzahl ein und wird durch Totalreflexion an der Kollektor-Komponente 2 gezwungen, die Kollektor-Komponente 1 nur in Rich tung des Verbrauchers 5 zu verlassen. Das im Solarkollektor gesammelte Licht wird dabei zweckdienlich in gebündelte Licht wellenleiter 6 eingespeist, um einen entsprechend höheren Mehr fach-Effekt zu erzielen. Vor der Einspeisung des Lichtes in die Lichtwellenleiter 6, wird selbiges durch herkömmlich bekannte optische Elemente, wie bereits ausgeführt, durch Spiegel, Lin sen, beziehungsweise Kombinationen davon, auf größeren Flächen gesammelt. Dabei wird nicht nur die direkte Licht- und Wärme strahlung der Sonne, sondern auch ihr durch Streuung in der Erd atmosphäre diffus einfallender Anteil aufgenommen.

Ein weiteres, wenn auch nicht vorzugsweises Ausführungsbeispiel besteht in der Variante, daß die beiden Kollektor-Komponenten 1 und 2 durch eine Komponente ersetzt werden, welche eine steti ge Brechzahländerung aufweist.

Bezugszeichenliste

1

Kollektor-Komponente mit größerem Brechungsindex

2

Kollektor-Komponente mit kleinerem Brechungsindex

3

Stirnfläche Lichtwellenleiter

4

Lichteinfall

5

Verbraucher

6

Lichtwellenleiter

7

lokale Schichten

8

Koppler

9

Streuung

10

Mantelfläche

Claims

1. Solarkollektor unter Erhalt des hohen Temperaturniveaus der Sonneneinstrahlung dadurch gekennzeichnet, daß der Solar kollektor aus mindestens einer Kollektor-Komponente (1) mit größerem Brechungsindex und einer Kollektor-Komponente (2) mit kleinerem Brechungsindex besteht, wobei die Kollektor-Komponente (2) mit dem kleineren Brechungsindex die Kollek tor-Komponente (1) mit dem größeren Brechungsindex umhüllt und/oder als lokale Schichten (7) in dieser enthalten ist und das Licht in die Kollektor-Komponente (1) mit dem grö ßeren Brechungsindex eintritt sowie durch Totalreflexion an der Kollektor-Komponente (2) mit dem kleineren Brechungs index gehindert wird, die Kollektor-Komponente (1) mit dem größeren Brechungsindex an anderer Stelle, als in Richtung Verbraucher (5) zu verlassen, dabei unter Verringerung des Querschnittes des Lichtstromes mittels Koppler (8) zum Aus gang des Solarkollektors geführt und dort in einen Licht wellenleiter (6) eingespeist wird.

2. Solarkollektor unter Erhalt des hohen Temperaturniveaus der Sonneneinstrahlung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das im Solarkollektor gesammelte Licht in gebündelte Lichtwellenleiter (6) eingespeist wird.

3. Solarkollektor unter Erhalt des hohen Temperaturniveaus der Sonneneinstrahlung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Licht vor der Einspeisung in Lichtwellenleiter (6), durch optische Elemente wie vorzugsweise Spiegel oder Lin sen auf größerer Fläche gesammelt wird.

4. Solarkollektor unter Erhalt des hohen Temperaturniveaus der Sonneneinstrahlung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Komponenten (1, 2) durch eine Komponente ersetzt werden, welche eine stetige Brechzahländerung auf weist.

5. Solarkollektor unter Erhalt des hohen Temperaturniveaus der Sonneneinstrahlung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Licht in den Lichtwellenleiter (6) sowohl durch die Stirnfläche des Lichtwellenleiters (3), als auch durch seine Mantelfläche (10) einfällt.

6. Solarkollektor unter Erhalt des hohen Temperaturniveaus der Sonneneinstrahlung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Kollektor-Komponente (1) mit dem grö ßeren Brechungsindex bestehenden Faserkerns vorzugsweise pyramidenförmig strukturiert ist und die ihn umgebende Man telfläche (10) der Kollektor-Komponente (2) mit dem kleine ren Brechungsindex mit lichtstreuenden Eigenschaften ausge stattet ist.