DE19905264A1 - Strahlungskollektor - Google Patents

Abstract

Ein Strahlungskollektor mit einer Spiegelfläche und einem Strahlungsabsorber hat eine Spiegelfläche, die im wesentlichen eine konkave Form aufweist und einen Winkel von mehr als 180 DEG umschließt. DOLLAR A Dadurch wird in den Strahlungskollektor einfallende Strahlung reflektiert, bis sie auf den Absorber gelangt und auch vom Absorber reflektierte Strahlung wird über die Spiegelfläche zum Absorber zurückgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungskollektor mit einer Spiegelfläche, die eine im wesentlichen konkave Form aufweist, einem Strahlungsabsorber und einer Öffnung.

Strahlungskollektoren mit einer Spiegelfläche und einem Strahlungsabsorber sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Üblicherweise konzentriert ein Parabolspiegel parallel einfallende Lichtstrahlen auf ein punktförmiges oder linienförmiges Absorberelement. Dadurch werden die auf einer bestimmten Fläche einfallenden Lichtstrahlen gebündelt, um am Absorber eine möglichst hohe Stahlungsdichte zu erzeugen. Im Absorber fließen meist flüssige Medien, die durch die Strahlungsenergie erwärmt werden und an einer anderen Stelle die Wärme wieder abgeben.

Auch für Photovoltaikzellen wurden Strahlungskollektoren vorgeschlagen, die in der Praxis jedoch weniger verbreitet sind, da für Photovoltaikzellen eine weniger hohe Energiedichte ausreicht.

Unabhängig davon, ob als Absorber eine Photovoltaikzelle oder ein Solarmodul zur Umwandlung in Wärmeenergie verwendet wird, wird an der Oberfläche des Strahlungsabsorbers ein Teil der auftreffenden Strahlung reflektiert. Da die reflektierte Strahlung nicht absorbiert wird, ist sie der Energieumwandlung nicht zugänglich und führt zu einem unerwünschten Verlust.

Es wurden viele Arten an Oberflächen vorgeschlagen, die am Absorber zu einer hohen Absorption ;und zu geringer Reflexion führen. Diese Oberflächen sind jedoch meist aufwendig in der Herstellung und wartungsintensiv, da sie schwer zu reinigen sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs erwähnten Strahlungskollektor mit Spiegelfläche und Strahlungsabsorber so weiterzubilden, daß ein möglichst hoher Anteil der auf den Strahlungskollektor auftreffenden Strahlung am Strahlungsabsorber absorbiert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Querschnitt gesehen der maximale Abstand zwischen zwei Punkten der Spiegelfläche größer ist als die Breite der Öffnung.

Bekannte Strahlungskollektoren werden entweder parabolförmig oder wannenförmig ausgebildet, wobei die Kollektoren eine möglichst große Lichteinfallsöffnung aufweisen. Die große Öffnung dient dazu, möglichst viel Strahlung auf den Strahlungskollektor auftreffen zu lassen, die durch die Reflexion am Strahlungskollektor zentriert wird oder direkt auf einen Strahlungsabsorber auftrifft.

Im Gegensatz hierzu liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß auch die vom Strahlungsabsorber reflektierte Strahlung durch ein geeignetes Spiegelsystem wieder zum Absorber zurückgeführt werden kann. Hierzu wird das Spiegelsystem derart als konkave Form ausgebildet, daß es im Querschnitt einen Winkel von mehr als 180° umschließt. Somit wird die maximal mögliche Größe der Lichteintrittsöffnung reduziert, um in das Spiegelsystem eindringende Strahlung gegebenenfalls durch wiederholte Reflexion auf den Strahlungsabsorber zu führen. Da bei jedem Auftreffen eines Strahlenganges auf den Absorber nur ein Teil der Strahlung absorbiert wird und die übrige Strahlung reflektiert wird, kann der reflektierte Strahlungsanteil durch das Spiegelsystem wiederholt auf den Strahlungsabsorber zurückgeführt werden. Das Spiegelsystem ist dabei so ausgeführt, daß der Strahlengang möglichst mindestens zweimal auf das Solarmodul auftrifft, bevor sie den Strahlungskollektor verläßt. Dies wird dadurch erreicht, daß der längste Querschnitt der konkaven Form der Spiegelfläche größer ist als die in der Spiegelfläche vorgesehene Öffnungsbreite. Zumindest ein Teil des in den Strahlungskollektor gelangenden Lichtes wird somit mehrfach reflektiert, um früher oder später auf den Strahlungsabsorber zu treffen.

Dies führt dazu, daß bei der Wahl der Oberfläche des Strahlungsabsorbers ein höherer Anteil an reflektiertem Licht zugelassen werden kann, ohne daß die Effektivität des Strahlungskollektors wesentlich beeinflußt wird. Somit sind preisgünstige Materialien einsetzbar.

Außerdem erschließt der relativ kleine Lichteintrittsspalt neue Anwendungsbereiche, bei denen nur eine relativ kleine Lichtfläche zur Verfügung steht, andererseits aber eine effektive Ausbeute des eingefallenen Lichtes gefordert wird. Derartige Anwendungsbereiche finden sich bspw. im Fassadenbau, wo nur begrenzte Bereiche als Lichteintrittsflächen zur Verfügung stehen.

Insbesondere für Anwendungen im Fassadenbau kann neben der Lichteintrittsöffnung auch eine weitere Öffnung im Spiegelsystem vorgesehen seien, die so angeordnet ist, daß nur spezielle, gerichtete Strahlung aus dem Spiegelsystem austritt. Der Strahlungskollektor kann somit sowohl zur Strahlungskonzentration als auch zur gerichteten Strahlungsabgabe bspw. ins Innere eines Gebäudes dienen. Der Strahlungskollektor wird dabei so eingebaut, daß er eine im Einbauzustand dem Licht zugewandte Lichteinfallsöffnung und eine im Einbauzustand dem Licht abgewandte Lichtausfallsöffnung aufweist.

Die konkave Spiegelfläche kann mehrere Flächenteile aufweisen, die in einem vorzugsweise stumpfen Winkel zueinander angeordnet sind, um die Form zu umgrenzen. Vorzugsweise ist die Spiegelfläche jedoch gebogen, um die Herstellung des Kollektors zu erleichtern.

Als Spiegelfläche kommt beispielsweise auch eine kugelförmige Fläche in Frage. Vorzugsweise ist die konkave Spiegelfläche jedoch um eine Achse angeordnet, da dies zu einer effektiven Bauform führt.

Versuche haben gezeigt, daß besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der Winkel α zwischen den Rändern der Öffnung und dem Schwerpunkt weniger als 150° beträgt. Dies ermöglicht einerseits eine gute Reflexion an der Kollektorfläche und andererseits eine ausreichende Öffnung für den Strahlungseinfall.

Um einen ausreichenden Strahlungseinfall zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, daß der Winkel α vorteilhafterweise mehr als 10° aufweist.

In einer anderen Betrachtungsweise umschließt der Kollektor im Querschnitt einen Zylinder um einen Winkel von mehr als 180°, vorzugsweise mehr als 210° und weniger als 350°.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Absorber im Bereich der Spiegelfläche angeordnet ist. Hierzu wird ein Teil der Spiegelfläche als Absorber ausgebildet, der somit einen Teil der Strahlung aus dem System entnimmt und umwandelt, während die restliche Strahlung am Absorber reflektiert wird. Der erfindungsgemäße Strahlungskollektor erlaubt es, sogar den Absorber parallel zur Lichteintrittsrichtung anzuordnen.

Die beschriebene Ausführung der Spiegelfläche erlaubt es, den Absorber auch an beliebiger Stelle innerhalb der konkaven Form anzuordnen. Beispielsweise kann ein Absorberrohr an beliebiger Stelle innerhalb des Spiegelsystems angeordnet werden.

Die vorgenannten Ausführungen zeigen, daß der erfindungsgemäße Strahlungskollektor für unterschiedliche Absorberarten eingesetzt werden kann. Bevorzugte Einsatzgebiete sind Absorber, die mindestens eine Photovoltaikzelle aufweisen und Absorber mit Solarmodulen zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie.

Mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Strahlungskollektors sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 einen Strahlungskollektor mit vieleckiger Spiegelfläche,

Fig. 2 einen Strahlungskollektor mit kreissegmentförmiger Spiegelfläche und Absorber in Bereich der Spiegelfläche und

Fig. 3 einen Strahlungskollektor mit kreissegmentförmiger Spiegelfläche, Zentralabsorber und zwei Lichtöffnungen.

Der in Fig. 1 gezeigte Strahlungskollektor 1 hat eine Spiegelfläche 2, die aus fünf winklig zueinander angeordneten Spiegeln 3, 4, 5, 6 und 7 besteht. Diese Spiegel 3 bis 7 sind so zueinander angeordnet, daß sie mit einem Strahlungsabsorber 8 eine konkave Form umgrenzen.

Zwischen dem Strahlungsabsorber 8 und der Spiegelfläche 7 ist eine Lichteintrittsöffnung 9 vorgesehen, durch die ein Lichtstrahl 10 in den von Spiegelflächen und dem Absorber umgrenzten Raum eintritt. Die Lichtein­ trittsöffnung hat eine Breite (a), die kleiner ist als der maximale Abstand (A) zwischen zwei Punkten der Spiegelfläche 2. Der Winkel α zwischen den Rändern der Öffnung 9 und dem Schwerpunkt S beträgt etwa 30°.

Der Lichtstrahl 10 wird im konkaven Raum von den Spiegelflächen 3 bis 7 reflektiert, bis er auf den Absorber 8 gelangt. An der Stelle 11 auf der Absorberoberfläche wird ein Teil der Strahlungsenergie absorbiert und der Rest reflektiert. Der reflektierte Strahlungsanteil wird wiederum über die Spiegelflächen 6, 3 und 5 zurück zum Absorber 8 geführt, um im Punkt 12 erneut auf den Absorber aufzutreffen. Auch hier wird ein Teil der auftreffenden Strahlungsenergie absorbiert und der Rest reflektiert. Der Reststrahl wird solange weiter an den Spiegelflächen und am Absorber reflektiert, bis er durch die Lichteintrittsöffnung 9 wieder aus dem Strahlungskollektor 1 entweicht.

Der Lichtstrahl trifft somit wiederholt auf die Absorberfläche 8 und nur ein geringer Reststrahlungsanteil verläßt den Strahlungskollektor. Auch bei starker Reflexion am Absorber 8 ist somit eine effektive Strahlungsabsorption zu erreichen.

Die Anordnung der Spiegelflächen zueinander, das heißt deren Anzahl und Winkelstellungen sowie die Breite der Lichteintrittsöffnung 9 und die Position des Absorbers 8 sind individuell an die gegebenen Anforderungen anpaßbar und können rechnerisch optimiert werden.

Die Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Strahlungskollektors 20. Dieser Strahlungskollektor ist im Querschnitt kreisförmig aufgebaut. Durch eine Lichteintrittsöffnung 21 tritt Strahlungsenergie in einen konkaven Hohlraum, der durch eine Spiegelfläche 22 und einen Absorber 23 gebildet ist. Auch hier wird der Lichtstrahl an den Spiegelflächen 22 reflektiert, um zum Absorber 23 gelenkt zu werden und auch vom Absorber 23 reflektierte Lichtstrahlen werden mit hoher Wahrscheinlichkeit wieder zum Absorber 23 zurückgeführt. Die Biegung der Reflektorflächen, die Anordnung des Absorbers und Größe und Position der Lichteintrittsöffnung 21 sind individuell auf ein spezielles Einsatzgebiet abzustimmen. Reflektierende Einbauten innerhalb der konkaven Kollektorform können die Effektivität des Strahlungskollektors erhöhen.

Eine Ausführungsform eines Strahlungskollektors 30 mit zwei Lichtöffnungen 31 und 32 ist in Fig. 3 dargestellt. Der Kollektor 30 ist zwischen zwei Mauerstücken 33 und 34 angeordnet und die Lichteintrittsöffnung befindet sich an der Außenseite 35, während sich die Lichtaustrittsöffnung 32 zur Innenseite 36 hin öffnet. Im Zentrum des Strahlungskollektors 30 ist ein Absorber 37 angeordnet.

Durch die Lichteintrittsöffnung 31 in den Strahlungskollektor 30 eintretende Strahlung wird entweder am Absorber 37 absorbiert oder gelangt auf die Spiegelflächen 38 oder 39, an denen der Lichtstrahl reflektiert wird. Der auf den Absorber 37 auftreffende Lichtstrahl wird zum Teil absorbiert und der restliche Teil wird reflektiert, so daß er mit großer Wahrscheinlichkeit auf die Spiegelflächen 38 und 39 trifft und von diesen Flächen weiter reflektiert wird. Die Strahlung wandert somit lange im Strahlungskollektor 30 umher, bis sie durch die Lichteintrittsöffnung 31 oder die Lichtaustrittsöffnung 32 den Kollektor verläßt. Der Aufbau von Absorber- und Strahlungsflächen sollte möglichst so gestaltet werden, daß wenig Strahlung durch die Lichteintrittsöffnung den Strahlungskollektor 30 verläßt und durch die Lichtaustrittsöffnung 32 zumindest eine geringe Beleuchtung des Innenraums ermöglichst wird. Selbstverständlich kann an der Stelle der Lichtaustrittsöffnung 32 auch eine weitere Reflektor- oder Absorberfläche angeordnet werden.

Im vorliegenden Fall ist als Absorberfläche ein Solarmodul vorgesehen, das die Stahlungsenergie in Wärmeenergie umwandelt. Der Absorber kann jedoch auch als Photovoltaikzelle ausgebildet sein, die bekanntlich einen hohen Grad an Reflexionsstrahlung aufweist.

Claims (10)

1. Strahlungskollektor (1) mit einer Spiegelfläche (2) die eine im wesentlichen konkave Form aufweist, einem Strahlungsabsorber (8) und einer Öffnung (9), dadurch gekennzeichnet, daß im Querschnitt gesehen der maximale Abstand (A) zwischen zwei Punkten der Spiegelfläche (2) größer ist als die Breite (a) der Öffnung (9).

2. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche (2) eine im Einbauzustand dem Licht zugewandte Lichteinfallsöffnung (31) und eine im Einbauzustand dem Licht abgewandte Lichtausfallsöffnung (32) aufweist.

3. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche (2) gebogen ist.

4. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Spiegelfläche (2) um eine Achse (13) angeordnet ist.

5. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α zwischen den Rändern der Öffnung (9) und dem Schwerpunkt (S) weniger als 180°, vorzugsweise weniger als 150°, beträgt.

6. Strahlungskollektor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α mehr als 10° aufweist.

7. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (8) im Bereich der Spiegelfläche angeordnet ist.

8. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (37) innerhalb der konkaven Form angeordnet ist.

9. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (8) eine Photovoltaikzelle aufweist.

10. Strahlungskollektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (37) ein Solarmodul zur Umwandlung in Wärmeenergie aufweist.