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Die
Erfindung betrifft einen Parabolrinnenkollektor für ein Solarenergie-Kraftwerk,
mit einem Reflektor in Form einer Parabolrinne, einem längs der
Brennlinie des Reflektors verlaufenden Absorber und einem auf der
dem Reflektor abgewandten Seite des Absorberrohres angeordneten
Sekundärreflektor.
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In
der Mojave-Wüste
in den USA existieren bereits Solarenergie-Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren,
die in Leistungsgrößen zwischen
30 und 80 MW zu insgesamt 350 MW (elektrische Leistung) zusammengefaßt sind.
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Bei
einem Parabolrinnenkollektor konzentriert eine parabelförmig gekrümmte Rinne
mit hochreflektierender Oberfläche
die Sonnenstrahlen auf ein in der Brennlinie der Parabolrinne verlaufendes Absorberrohr,
das von einem Wärmeträgermedium durchflossen
wird, welches die eingesammelte Energie einem konventionellen Dampfkraftwerksprozeß zuführt. Die üblicherweise
in Nord-Süd-Richtung aufgestellte
Parabolrinne wird einachsig im Höhenwinkel
der Sonne nachgeführt,
so daß diese
immer senkrecht auf die Rinne scheint. Der Gesamtwirkungsgrad (einfallende
Sonnenenergie zu Energie im Wärmeträger) eines
Parabolrinnenkollektors liegt in der Größenordnung von 50 %. Er wird
durch zahlreiche optische und thermische Verluste begrenzt. Zur
Verringerung dieser Verluste ist es bekannt, das Absorberrohr mit
einem Glas-Hüllrohr
zu umgeben, welches evakuiert sein kann. Das Glas-Hüllrohr dient
zur Reduzierung der thermischen Verluste infolge von Konvektion
und Wind. Die Evakuierung des Hüllrohres
reduziert zusätzlich
die thermischen Verluste infolge von Wärmeleitung. Die größten Verluste
sind die Abstrahlungsverluste vom bis zu 400 °C heißen Absorberrohr. Diese Abstrahlungsverluste
sind proportional zur Oberfläche
des Absorberrohres, so daß sie
dadurch verringert werden könnten,
daß der Durchmesser
des Absorberrohres verkleinert wird. Dem steht jedoch entgegen,
daß das
Sonnenstrahl-Bündel
infolge der Sonnengröße (Öffnungswinkel
der Sonnenscheibe etwa 0,6°)
auf einen breiteren Streifen auf geweitet wird. Außerdem verbieten Ungenauigkeiten
der Spiegeloberfläche
und der Spiegelgeometrie eine zu starke Verengung der Zielfläche. Eine
Verringerung des Durchmessers des Absorberrohres ist also immer
mit dem Nachteil verbunden, daß ein
Teil der reflektierten Strahlung das Absorberrohr verfehlen würde und
damit verloren wäre.
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Aus
der Literatur sind verschiedene Entwicklungen bekannt, mit Hilfe
sogenannter Sekundärkonzentratoren
diejenigen reflektierten Strahlen, die das Absorberrohr verfehlt
haben, durch erneute Reflexion und Bündelung doch noch auf das Absorberrohr zu
lenken. Ein idealer Sekundärkonzentrator
besteht (auf jeder Seite des Absorberrohrs) aus zwei Teilen: einer
inneren (stark gekrümmten)
konkaven Involute und einem äußeren konvexen
Teil, der nur schwach gekrümmt
ist. Solche idealen Sekundärkonzentratoren
oder auch einfachere parabolisch gekrümmte, hochglanzverspiegelte
Bleche sind sehr schwierig herzustellen und daher teuer. Im Laufe
der Betriebsdauer der Parabolrinne ist außerdem infolge unterschiedlicher
Ausdehnungskoeffizienten von Glas-Hüllrohr
und Sekundärkonzentrator
damit zu rechnen, daß Verschiebungen
des Sekundärkonzentrators
auftreten. Ein schlecht positionierter Sekundärkonzentrator hat aber zur
Folge, daß der
Gesamtwirkungsgrad gegenüber
einer Ausführung
ohne Sekundärkonzentrator
sogar reduziert wird.
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Aus
DE 28 55 553 C2 ist
ein Parabolrinnenkollektor bekannt, bei dem auf derjenigen Seite
eines Absorberrohrs, die dem Reflektor abgewandt ist, eine Solarzellenplatte
angeordnet ist. Diese Solarzellenanordnung hat die Aufgabe, bei
Bestrahlung elektrische Energie zu erzeugen. Sie ist außerdem als
Sekundärspiegel
ausgebildet, welche den nicht absorbierten Teil der auftreffenden
Strahlung auf das Absorberrohr leitet. Das Absorberrohr ist mit
Abstand von der Brennlinie des Reflektors angeordnet, wobei die
von dem Sekundärreflektor
reflektierte Strahlung auf das Absorberrohr fokus siert wird. Hierbei
hat der planare Sekundärspiegel
keinen Einfluß auf
die Strahlungsbündelung.
Diese ist vielmehr so, als wäre das
Absorberrohr bei nicht vorhandenem Sekundärspiegel im Primärbrennpunkt
angeordnet. In diesem Fall geht die gesamte Strahlung, die das Absorberrohr
nicht trifft, thermisch verloren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Parabolrinnenkollektor
mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch
1 angegebenen Merkmalen.
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Der
erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektor
weist einen Sekundärreflektor
aus einer im wesentlichen flachen Platte auf. Ein solcher flacher
Sekundärreflektor
hat keinen wesentlichen Konzentrationseffekt auf die einfallende
Strahlung. Er bewirkt, daß die
von dem Reflektor bzw. Konzentrator der Parabolrinne reflektierten,
das Absorberrohr jedoch verfehlenden Strahlen infolge nochmaliger
Reflexion auf das Absorberrohr gerichtet werden. Dabei besteht die
Möglichkeit,
das Absorberrohr mit einem kleineren Durchmesser zu realisieren
als dies bei ausschließlicher
Verwendung der Rinne als Reflektor möglich wäre. Der Sekundärreflektor
sammelt außerdem
diejenige Sonnenstrahlung, die aufgrund von Maß- oder Montageungenauigkeiten
an dem Absorberrohr vorbeigeleitet werden, und reflektiert sie zum Absorberrohr.
Die dünne
flache Platte des Sekundärreflektors
kann auf relativ einfache Weise an dem Absorberrohr befestigt werden.
Da diese Platte keine Bündelungsfunktion
hat, treten geringfügige
Verformungen nicht nachteilig in Erscheinung. Auch sehr stark schräg einfallende
Strahlung wird auf die der Sonne zugewandte Seite des Absorberrohres
reflektiert. Auf diese Weise werden solche Strahlen eingefangen,
die von der Parabolrinne reflektiert wurden, ohne das Absorberrohr
zu treffen. Solche abweichende Strahlung kann auf die Kleinheit
des Durchmessers des Absorberrohrs zurückzuführen sein oder auch auf Winkelfehler
am Absorberrohr. Es besteht somit die Möglichkeit, Absorberrohre von
kleinem Durchmesser zu verwenden, wodurch wiederum die Abstrahlungsverluste
verringert werden. Ferner können
Einbautoleranzen und Verformungsfehler in größerem Umfange hingenommen werden
als dies üblicherweise
der Fall ist.
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Außer dem
optischen Gewinn und der Verringerung der thermischen Verluste durch
das kleinere Absorberrohr hat das System mit Sekundärreflektor gegenüber einem
konventionellen System noch folgende Vorteile:
- – das befürchtete "Bowing", das Verbiegen des Absorberrohrs
gegenüber
dem Glashüllrohr
mit möglichen
Berührungen
zwischen beiden Rohren und eventuell daraus resultierenden Glashüllrohr-Brüchen, wird
stark reduziert oder sogar vermieden, da die Oberfläche des Absorberrohrs gleichermäßiger thermisch
belastet wird (reflektierte Strahlen heizen auch die der Sonne zugekehrte
Seite des Absorberrohrs stärker
auf)
- – die
relativ geringen Mehrkosten für
das flache Aluminiumblech und das Alu-Profil werden aufgefangen
durch die Verbilligung des im Durchmesser verringerten Absorberrohrs.
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Der
Sekundärreflektor
ist vorzugsweise eine absolut flache Platte. Im Rahmen der Erfindung
sind aber auch in begrenztem Maße
Verformungen der Platte möglich.
Unter einer im wesentlichen flachen Platte wird in diesem Zusammenhang
verstanden, daß die
Tiefe einer in der Platte enthaltenen Mulde oder Wölbung kleiner
ist als 10 % der Breite, vorzugsweise kleiner als 5 % der Plattenbreite.
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Die
Erfindung bietet den Vorteil einer wesentlich einfacheren Herstellung
des Absorbers, da eine exakte Formgebung des am Absorberrohr befestigten
Sekundärreflektors
nicht erforderlich ist. Die Fixierung des Sekundärreflektors am Absorberrohr
ist sehr einfach durchzuführen.
Außerdem
hat der Sekundärreflektor
eine verbesserte Langzeitstabilität.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Absorberrohr von
einem Glas-Hüllrohr
umgeben, wobei der kürzeste
Abstand des Sekundärreflektors
von dem Absorberrohr deutlich kleiner ist als der Abstand zwischen
Glas-Hüllrohr
und Absorberrohr. Der Sekundärreflektor
ist also dem Absorberrohr stark angenähert und verläuft nahezu
tangential zu diesem. Dies hat zur Fol ge, daß alle Strahlung, die von der
Seite her auf den Sekundärreflektor fällt, in
den Zwickel zwischen Sekundärreflektor
und Absorberrohr gelenkt und schließlich vom Absorberrohr absorbiert
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, daß das
System in axialen Abständen
angeordnete Stützvorrichtungen
enthält,
die das Absorberrohr mit Hilfe von Halteblechen an einem an der
Innenwand des Glas-Hüllrohres
anliegenden äußeren Stützring abstützen und
positionieren. Diese Haltebleche sind mit Aussparungen versehen,
in denen der Sekundärreflektor
fixiert ist. Auf diese Weise bildet der Sekundärreflektor zusammen mit den
Stützvorrichtungen
und dem Absorberrohr eine Einheit, die in das Glas-Hüllrohr eingeschoben
werden kann und die dazu dient, das Absorberrohr im Glas-Hüllrohr zu
fixieren.
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Im
folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines Parabolrinnenkollektors in Stirnansicht,
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2 einen Querschnitt durch
den Receiver (System Absorber-Glashüllrohr-Sekundärreflektor mit
Zubehör)
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3 eine Verdeutlichung der
von dem Sekundärreflektor
zusätzlich
eingefangenen Randstrahlung und
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4 eine schematische perspektivische Darstellung
des Receivers im aufgeschnittenen Zustand.
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Der
Parabolrinnenkollektor in 1 weist
einen langgestreckten rinnenförmigen
Reflektor 10 in Form einer Parabolrinne auf, der eine Länge von mehreren
Metern hat und eine Spannweite von beispielsweise 5 m. Längs der
Brennlinie des Reflektors 10 ist ein langgestreckter rohrförmiger Absorber
angeordnet, der an dem Reflektor so befestigt ist, daß er dessen
Bewegungen in Höhenrichtung
der Sonne folgt, so daß die
einfallende Sonnenstrahlung 11 stets senkrecht in die Öffnung des
Reflektors 10 einfällt.
Der Reflektor 10 ist an einer Tragstruktur 13 angebracht,
die eine Nachführung
des Reflektors nach dem Sonnenstand ermöglicht.
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Der
Receiver 12 enthält
gemäß 2 ein langgestrecktes Absorberrohr 14,
das von einem flüssigen
Wärmeträgermedium
durchströmt
wird. Um das Absorberrohr 14 herum ist ein Glas-Hüllrohr 15 angeordnet.
Der Mittelpunkt des Absorberrohres 14 ist gegenüber demjenigen
des zylindrischen Glas-Hüllrohres 15 in
Gegenrichtung der einfallenden Sonnenstrahlung 11 versetzt,
so daß das
Absorberrohr 14 exzentrisch im Hüllrohr angeordnet ist.
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Auf
der dem Reflektor 10 abgewandten Seite ist der Sekundärreflektor 16 in
Form einer flachen Platte annähernd
tangential zu dem Absorberrohr 14 angebracht. Der Sekundärreflektor
besteht aus einem eloxierten und damit hochreflektierenden Aluminiumblech.
Dieses Blech ist in der Mitte an einem Abstandhalter 17 abgestützt, der
vom Umfang des Absorberrohrs in Richtung auf die einfallende Sonnenstrahlung 11 radial
absteht, jedoch nur eine geringe Höhe hat, so daß der Sekundärreflektor 16 annähernd tangential
zu dem Absorberrohr 14 verläuft. Der Sekundärreflektor 16 steht
rechtwinklig zur einfallenden Sonnenstrahlung 11. Er erstreckt
sich quer durch das Glas-Hüllrohr
und seine beiden Längskanten
berühren
das Glas-Hüllrohr.
Auf der dem Abstandhalter 17 gegenüberliegenden, nicht reflektierenden
Rückseite
ist der Sekundärreflektor
mit einem dünnen
leichten Verstärkungsprofil 18 aus
Aluminium hinterlegt, das auf die Rückseite, beispielsweise mit Silikonkleber,
aufgeklebt ist. Das Verstärkungsprofil 18 ist
möglicherweise
ebenso wie der Abstandhalter 17 jeweils nur in gewissen
Längenabschnitten
vorhanden und erstreckt sich in dem Fall nicht kontinuierlich über die
Gesamtlänge.
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In
dem Glas-Hüllrohr 15 sind
Stützvorrichtungen
angeordnet, die die aus dem Absorberrohr 14 und dem Sekundärreflektor 16 bestehende
Baueinheit zusammenhalten. Jede Stützvorrichtung weist einen Stützring 20 auf,
der an der Innenwand des Glas-Hüllrohrs 15 anliegt.
Der Stützring 20 ist
mit dem Absorberrohr 14 durch radial ausgerichtete Haltebleche 22,23 und
ein Stützblech 24 verbunden.
Die Stützvorrichtungen,
die in regelmäßigen Abständen um
das Absorberrohr 14 herum angeordnet sind, werden zusammen
mit dem Absorberrohr in das Glas-Hüllrohr 15 eingeschoben.
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Wie
aus 4 hervorgeht, haben
die Haltebleche 22,23 jeweils einen axial abstehenden
Ansatz 22a, 23a, der über den Sekundärreflektor 16 ragt
und diesen gegen den Abstandhalter 17 drückt. Auf
diese Weise wird der Sekundärreflektor 16 unter
leichter Biegespannung festge halten, wobei er sich geringfügig biegen
bzw. durchwölben
kann.
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In 3 ist diejenige Randstrahlung
dargestellt, die normalerweise das Absorberrohr nicht oder nur teilweise
trifft und die nunmehr auf den Sekundärreflektor 16 fällt und
auf das Absorberrohr 14 reflektiert wird. Man erkennt,
daß auch
stark seitlich einfallende Strahlung noch auf das Absorberrohr 14 geleitet
wird.